Zytokine in der Radon-Balneologie TGF-ß als potentieller Indikator für die Wirkung der Gasteiner Heilstollenkur bei M. Bechterew Patienten Medhat Shehata, Günther Leiner, Albrecht Falkenbach, Josef Schwarzmeier Medizinische Universität Wien, LBI für Zytokinforschung

Zytokine Obwohl viele Zytokine sezerniert werden, ist ihr Aktionsradius relativ eingeschränkt. Sie beeinflußen die Entwicklung, das Wachstum und die Lebensdauer von Zellen. Zytokine wirken über spezifische Rezeptoren an ihren Zielzellen. Jede Körperzelle produziert und reagiert auf Zytokine. Zytokine sind kleine Polypeptide oder Glykoproteine, die als Botenstoffe zwischen Zellen fungieren.

Die Zytokinfamilien Interleukine (IL-1 bis IL-25) Interferone (IFN-, IFN- ß, IFN-) Interleukine (IL-1 bis IL-25) Kolonie stimulierende Faktoren (GM-CSF etc.) Tumor Nekrose Faktoren (TNF, Lymphotoxin) Andere (TGF- ß, EGF, FGF, PDGF, VEGF etc.)

Zytokine im Immunsystem Entzündungsfördernd IL-1 IL-6 TNF- Entzündungshemmend TGF-ß IL-10 IL-11 Gewebsregenerierend TGF-ß bFGF

Ankylosing Spondylitis An ancient disease The ‘‘Valley of the Kings,’’ pharaohs of the New Kingdom (1550–1080 BC.). The tomb of Ramses II (Photograph by E.F., Deutsche Vereinigung Morbus Bechterew. Four gigantic statues of Ramses II, in front of the temples of Abu Simbel in the south of Egypt. Ernst Feldtkeller et. al. Rheumatol Int 2003

The mummy of Ramses II in his sarcophagus. the head position which would result if his postmortem fracture were rearranged correctly Radiograph of the cervical spine of Ramses II: postmortem fracture in C5/C6, vertebral blocks above and below due to ankylosing spondylitis, The sarcophagus of Amenhotep II, whose mummy shows clear indications of ankylosing spondylitis, Lumbar spine and upper pelvis of Amenhotep II. Characteristic changes of ankylosing spondylitis Include: calcification of the paraspinous ligaments and obliteration of the sacroiliac joints.

*Therapie: Hyperthermie, Gymnastik, Radon Beeinflußt die Gasteiner Heilstollenkur das Expressionsprofil von Zytokinen? *entzündungsfördernden Zytokinen (IL-6, TNF-a) *entzündungshemmenden Zytokinen (IL-10 & TGF-ß) *83 Patienten vor und nach einem Gasteiner Kuraufenthalt *Therapie: Hyperthermie, Gymnastik, Radon

IL-10 Konzentrationen vor und nach Therapie 1 2 3 4 5 Vor Therapie Nach Therapie IL-10 ng/ml

IL-6

Quantifizierung des Entzündungsparameters TNF-a im Verlauf der Gasteiner Heilstollenkur 14,0 2 4 6 8 10 12 14 12,0 10,0 TNF-a pg/ml 8,0 Schmerzskala 6,0 4,0 2,0 0,0 Schmerz TNF-a Schmerz TNF-a Schmerz TNF-a vor Therapie während Therapie nach Therapie

Patienten mit akutem Krankheitsgeschehen zeigen signifikant verminderte TNF-a Serumwerte nach Heilstollenkur TNF-a Konzentrationen (Gruppe I) TNF-a Konzentrationen (Gruppe II) (mehr Schmerzen am Beginn der Therapie: n=38) (weniger Schmerzen am Beginn der Therapie, n=23) 20 20 Schmerzen Schmerzen TNF-a TNF-a 15 15 TNF-a pg/ml TNF-a pg/ml 10 10 5 5 vor während nach vor während nach

TGF-ß1 Konzentration im Serum von 83 Patienten mit Morbus Bechterew Gesamt TGF-ß1 aktives TGF-ß1 1800 70000 1600 60000 1400 50000 1200 40000 1000 TGF-ß1 pg/ml TGF-ß1 pg/ml 800 30000 600 20000 400 10000 200 vor Therapie nach Therapie vor Therapie nach Therapie

Änderung der TGF-ß Serumkonzentration in M. Bechterew Patienten (n=83) nach Gasteiner Heilstollenkur Gesamt TGF-ß1 Aktives TGF-ß1

3D Struktur des TGF-ß Proteins Molekulargewicht 25 kDa (Homodimers) 3 humane Isoformen: TGFß1, ß2, ß3 Produktion in versch. Geweben

Die Biosynthese des TGF-ß Rezeptoren biologisch aktives TGF-ß Genexpression Proteolyse Vorläuferprotein LAP TGF-ß Latenter TGF-ß Komplex LTBP

Biologische Effekte von TGF-ß Immunmodulation Wundheilung Knochenbildung und Bruchheilung

Veränderungen der TGF-ß1 Konzentrationen im Gasteiner Heilstollenkur Verlauf der Therapie Gesamt TGF-ß1 P<0.01 P<0.01 P<0.05 NS NS 60000 50000 40000 Gesamt TGFß1 pg/ml 30000 20000 10000 nach nach nach nach nach vor vor vor vor vor AS n=83 AS Gr. 1 n=46 AS Gr. 2 n=36 LBP n=10 AS Kontrolle n=10 Gasteiner Heilstollenkur Krems

Veränderungen der TGF-ß1 Konzentrationen im Verlauf der Therapie Aktives TGF-ß1 2400 P<0.001 P<0.0001 P<0.01 P<0.05 NS 2000 1600 Aktives TGF-ß1 pg/ml 1200 800 400 vor nach vor nach vor nach vor nach vor nach All AS n=83 AS Gr. 1 n=46 AS Gr. 2 n=36 LBP n=10 AS Kontrolle n=10 Gasteiner Heilstollenkur Krems

Kinetik des TGF-ß1 Anstieges im Verlauf der Therapie Gesamt TGF-ß1 Aktives TGF-ß1 60000 120 50000 100 40000 80 TGF-ß1 pg/ml 30000 TGF-ß1 pg/ml 60 20000 40 10000 20 vor während nach vor während nach

Strahlungsmediierte Aktivierung von latentem TGF-ß Kontrolle (Latentes TGF-ß:grün) bestrahlt (Aktiviertes TGF-ß: rot) Barcellos-Hoff et. al. J.C.I, 1994

a-Strahler (Radon) induzieren die TGF-ß Expression In vitro Bestrahlung von Lungenfibroblasten mit a-Partikeln (0,4-19 cGy) führt zu einer... Erhöhung der TGF-ß Sekretion Erhöhung des intrazellulären Superoxydes (O2-) Erhöhte Wasserstoffperoxyd Konzentration (H2O2) Lyer et al., Cancer Research 2000

Gasteiner Heilstollenkur kurzzeitige Einwirkung von a-Partikel Immunzellen Synovial Fibroblast Aktives TGF-ß Hemmung der Entzündungs- reaktion Aktivierung von Heilungs- prozessen Schmerzreduktion & verbesserte Beweglichkeit

Zusammenfassung Die Gasteiner Heilstollenkur induziert die Produktion des entzündungshemmenden Zytokins TGF-ß Patienten mit geringerer Schmerzsymptomatik nach der Therapie zeigen eine höhere Induktion Erhöhtes TGF-ß führt zur Verminderung des subjektiven Schmerzempfindens & begünstigt Heilungsprozesse

Supraspinous ligament Anulus Fibrosus Intervertebral Disc Interspinous ligament Nucleus pulposus Ligamenous Flavum Anterior Longitudinal ligament Posterior Longitudinal ligament

Radiation: a particles Working hypothesis Radiation: a particles PBMC H2O2 TGF-ß O2.- Fibroblast Active & Latent TGF-ß H2O2 Active TGF-ß Suppression of the inflammatory reaction (T cell, Monocyte) Normal healing and tissue remodling Improved mobility and pain reduction Exposure of PBMC and fibroblasts of patients with AS to Radon may directly induce the synthesis and activation of TGF-ß or indirectly activate TGF-ß through the generated superoxide (O2.-) and hydrogen peroxide (H2O2). Activated TGF-ß consequently suppresses the inflammatory reaction through inhibition of the monocytes and T cell activities and enhances the normal healing process at the inflammatory sites. Ultimately leading to pain reduction and improved motility.

In vitro studies on the effect of therapy in Gastein Heilstollen on synovial fibroblasts and PBMC Exposure to Radon (a particles) In Gastein gallery or in Seibersdorf, or using gamma irradiation as a model Synovial fibroblasts PBMC Cell proliferation & Differentiation Collagen production: *Proliferation assays, *Immunofluorescence Cytokine and soluble factor production: *Immunoassays, *Immunofluorescence studies PBMC: Peripheral Blood Mononuclear Cells

Das Zytokin Netzwerk Makrophage T Lymphozyten B Lymphozyten IL-1 TNF TGF-ß IFN-a IL-1 TNF IL-6 TGF-ß IFN-a T Lymphozyten B Lymphozyten IFN-g IL-2 IL-4 TNF IL-2 IL-4 IL-5 IL-6 IFN-g IL-1 TNF TGF-ß PDGF IL-1 TNF TGF-ß TNF GM-CSF IL-1 IFN-ß IL-1 TNF IL-6 IFN-a GM-CSF G-CSF M-CSF IL-1 IL-6 IL-3 IL-4 IL-5 IL-6 GM-CSF Fibroblasten Granulozyten Endothelzellen IL-1 IL-6 IFN-ß G-CSF M-CSF GM-CSF IL-1 IL-6 GM-CSF G-CSF M-CSF IL-1 Knochemmark

ZUSAMMENFASSUNG Keine Änderung des IL-6 Serumspiegels Verminderung der TNF- Expression Keine Änderung des IL-6 Serumspiegels Reduktion des subjektiven Schmerzempfindens ist mit einer verminderten TNF-  Expression assoziiert

IL-10 IL-10 Konzentrationen vor und nach Therapie 1 2 3 4 5 Vor Therapie Nach Therapie IL-10 ng/ml 4 3 IL-10 ng/ml 2 1 vor nach vor nach Group I Group II