Antimikrobielle Peptide und die Haut: Ein Paradigma der translationalen Medizin: Übersetzung aus Skin Pharmacol Physiol 2012;25:323-334 (DOI: 10.1159/000341990)<br />

Antimikrobielle Peptide (AMPs) werden auch als Host-Defense-Peptide bezeichnet. Es gibt Berichte über mehr als 1200 AMPs unterschiedlichen Ursprungs - Bakterien, Pflanzen, Insekten, Reptilien und Säugetiere [1,2,3]. Die «natürlichen Antibiotika» bilden die vorderste Verteidigungslinie des Säugetierwirts gegen Krankheitserreger, da sie eine wichtige Funktion als Effektoren des angeborenen Immunsystems erfüllen [5]. Neuere Hinweise sprechen dafür, dass AMPs auch eine wichtige Rolle als Signalmoleküle bei der Verknüpfung von angeborener und adaptiver Immunreaktion spielen [6,7].

Die kleinen kationischen amphiphilen Peptide, die aus 6-50 Aminosäuren bestehen [1,4], interagieren mit anionischen Phospholipidmembranen [4,8] und weisen deshalb eine breite mikrobizide Aktivität sowohl gegen Bakterien als auch gegen Pilze auf [4]. Da sie die Zellmembranen selbst bei multiresistenten Erregern direkt angreifen und zerstören [9], können AMPs helfen, die zunehmenden Probleme der Antibiotikaresistenz zu überwinden [1,9,10], und der Mangel an neuen Antibiotika zur Bekämpfung multiresistenter Mikroben hat zu einem neuen Interesse an den AMPs insgesamt und insbesondere zu erneutem Interesse an älteren AMPs wie Polymyxinen und Tyrothricin geführt [12]. Insbesondere könnten die AMPs als multifunktionelle Agenzien [13] neue Ansätze in der Behandlung infektiöser/entzündlicher Hauterkrankungen bieten und sie gehören daher zu den größten Hoffnungen in der kurativen Dermatologie.

AMPs sind zudem ein geeignetes Beispiel für das Paradigma der translationalen Medizin, d.h. dafür, wie neuartige, wirksame therapeutische Strategien in die Klinik eingeführt werden [14], indem die Entdeckungen der Grundlagenforschung erfolgreich in klinische Instrumente übertragen werden [14,15]. Somit stellt die translationale Medizin die Schnittstelle zwischen präklinischer Forschung und klinischer Entwicklung dar. Der Verlauf der translationalen Medizin wurde als Einbahnstraße betrachtet - mit dem Ziel, den Pfad «aus dem Labor ans Krankenbett» so schnell wie möglich zu erreichen [14,16]; allerdings wurde schnell klar, dass der Wissenstransfer vom präklinischen in den klinischen Bereich oftmals nicht reibungslos abläuft. Dies liegt zum Teil daran, dass selbst wenn heute umfangreiche präklinische Forschung betrieben wird, die Ergebnisse bisweilen ignoriert werden [16] und/oder sie sich nicht vom Reagenzglas oder Tiermodell auf reale menschliche Krankheiten übertragen lassen [17]. Darüber hinaus behindern verschiedene regulatorische Hürden und Schwierigkeiten den Wissenstransfer ([14]; Abb. 1). Außerdem wurde kürzlich erkannt, dass neue Erkenntnisse, die durch Beobachtungen im klinischen Bereich gewonnen wurden, wieder ins Labor zurück fließen sollten, um neue beobachtungsbasierte Therapiestrategien zu entwickeln [14]. Aus diesem Grund wird die translationale Medizin heute nicht mehr als Einbahnstraße gesehen, sondern vielmehr als «Straße mit Verkehr in beiden Richtungen»: aus dem Labor ans Krankenbett und umgekehrt vom Krankenbett ins Labor [14,18].

Unter chronologischen Gesichtspunkten lassen sich diese beiden Pfade auch in der Entwicklung von AMPs zur Behandlung von Hauterkrankungen erkennen. Beispielsweise gab es in der Vergangenheit bereits einzelne Peptide, die nach ihrer Entdeckung und Beschreibung rasch und einfach ihren Weg vom Labor in die klinische Anwendung fanden («aus dem Labor ans Krankenbett») und heute - Jahrzehnte nach ihrer Identifizierung - noch immer erfolgreich zur Anwendung kommen. Gemäß den Ergebnissen aktueller Untersuchungen zur molekularen Pathophysiologie von Hauterkrankungen wie Psoriasis, Ekzemen oder infizierten Wunden könnten AMPs wie Magainine, die aus dem Afrikanischen Krallenfrosch Xenopus laevis isoliert wurden und die Haut des Frosches gegen Infektionen mit Bakterien und Pilzen schützen, den umgekehrten Weg «vom Krankenbett ins Labor» finden, d.h. von klinischen Beobachtungen zu präklinischen Untersuchungen [19,20,21,22].

Bei anderen AMPs versuchen die Wissenschaftler, im Vorfeld deren Rolle innerhalb der menschlichen Haut und bei Hauterkrankungen besser zu verstehen, um möglicherweise in der Lage zu sein, ihr therapeutisches Potenzial gezielt zu nutzen. Bereits jetzt ist die Vorstellung, dass in Zukunft der vorwärts gerichtete Weg «aus dem Labor ans Krankenbett» wieder an Bedeutung gewinnt, verlockend. Dies liegt nicht nur an der Tatsache, dass die präklinischen Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Hautkrankheiten immer effektiver organisiert werden, sondern auch daran, dass heutzutage alle an der Entwicklung topischer Medikamente beteiligten Parteien - Grundlagenforscher, Pharmakologen, Pharmazeuten, Kliniker, Ethikphilosophen, Patientenvertreter und nicht zuletzt die Zulassungsbehörden - zunehmend Hand in Hand arbeiten. Auf diese Weise werden zahlreiche Hürden beim Transfer von der präklinischen zur klinischen Erfahrung meist schon während der Frühstadien ausgeräumt.

Historisch betrachtet begann die Ära der AMPs vor mehr 60 Jahren mit der Entdeckung der kationischen zyklischen Peptidantibiotika, namentlich der Polymyxine und Tyrothricin, die relativ schnell den Weg in die klinische Anwendung fanden, auch wenn ihre Wirkmechanismen erst Jahre, wenn nicht gar Jahrzehnte später aufgedeckt wurden. Diese AMPs sind aufgrund der Entdeckung der klassischen Antibiotika wie Penicillin etwas in Vergessenheit geraten, bevor sie angesichts des zunehmenden Resistenzproblems gegenüber den klassischen Antibiotika und der großen Schwierigkeit, wirklich neuartige Antibiotika zu entwickeln, nun wieder an Bedeutung gewinnen [23].

Polymyxine wurden 1947 bei verschiedenen Spezies von Bacillus polymyxa entdeckt [24]. Von diesen wurden nur zwei - Polymyxin B und E (Colistin) - in der klinischen Praxis angewandt. Polymyxine sind pentabasische Dekapeptidantibiotika, die einen Cycloheptapeptidring enthalten, der über eine α-Amidbindung mit einer C9- oder C10-Fettsäurekette verbunden ist. Polymyxine wirken gegen gramnegative Bakterien wie Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii und Enterobacter-Spezies, selbst wenn diese multiresistent sind. Man nimmt an, dass die Bakterienmembran der Angriffspunkt der antimikrobiellen Aktivität ist, aber es liegen auch Daten vor, die die Hypothese mehrerer Angriffspunkte stützen. Ferner wurde gezeigt, dass Polymyxine hemmend auf eine einzelne NADH-Dehydrogenaseuntereinheit (NDH-2) und Chinoloxidasen bestimmter Bakterien wirken, was diese AMPs zu vielversprechenden chemotherapeutischen Wirkstoffen macht [10]. Da frühe Berichte eine hohe Inzidenz von Nephrotoxizität und Neurotoxizität beschrieben [25,26], wurden Polymyxine in den 1970er Jahren mit der Einführung neuer Antibiotika mit demselben oder einem breiteren antibakteriellen Spektrum, die als weniger toxisch galten, allmählich aus der klinischen Praxis zurückgezogen [12,27]. In den letzten Jahren war ein erneutes Interesse an Polymyxinen zu beobachten, was vermutlich daran liegt, dass AMPs sogar gegen multiresistente Bakterien bakterizid wirken, indem sie die Membranintegrität stören, und daran, dass die Toxizität von Polymyxinen tatsächlich seltener und weniger schwer ist als ursprünglich berichtet. Außerdem kann das Risiko durch eine sorgfältigere Dosierung und intensivmedizinische Versorgung kontrolliert werden [27].

In der klinischen Anwendung hat auch Tyrothricin über Jahrzehnte besonderes Interesse für die topische Behandlung von oberflächlichen infizierten Hautwunden gefunden. Genau wie bei Polymyxin wurde das Potenzial von Tyrothricin über die Jahre hinweg etwas unterschätzt. Dieses Polypeptidantibiotikum wird von Bacillus brevis gebildet [28] und besteht aus zwei zyklischen Decapeptiden: Gramicidin S (22%) und Tyrocidin A (78%) [29] (Abb. 2). Diese verfügen beide über eine breite bakterizide Aktivität gegen grampositive Bakterien, welche auf der Einlagerung der Peptide in die Bakterienmembran beruht. Dadurch kommt es zur Bildung hydrophiler Ionenkanäle und rascher Leckage der Zelle und in der Folge zum Zelltod [30]. Die antimikrobielle Wirksamkeit von Tyrothricin scheint das Ergebnis synergistischer Effekte von Tyrocidin (Aminosäuren, Purine, Pyrimidine und Phosphate) und Gramicidin (vermehrter Kaliumausstrom) zu sein [31]. Darüber hinaus stört Gramicidin vitale Funktionen der Bakterienzelle, indem es die Phosphorylierung der Atmungskette entkoppelt [31].

Neueren Veröffentlichungen zufolge zeigt Tyrothricin in vitro eine klinisch relevante antibakterizide Aktivität gegen grampositive Bakterien, die aus der normalen Flora im Respirationstrakt isoliert wurden, mit einer minimalen Hemmkonzentration (MHK₉₀) zwischen 0,046 mg/l für Streptococcus pyogenes und 3,12 mg/l für Staphylococcus aureus, methicillinempfindliche (methicillin-susceptible; MSSA) und - besonders bemerkenswert - methicillinresistente und multiresistente Stämme von S. aureus [32,33]. In vitro wirkt Tyrothricin auch gegen Streptokokken einschließlich Enterokokken [32,34] und Hefen wie Candida albicans [35].

Neben seiner antibakteriellen Aktivität ist Tyrothricin auch in der Lage, Viren wie das Sendai-Virus [36], das Herpes-simplex-Virus (HSV) [37] und das humane Immundefizienzvirus (HIV) zu inaktivieren [38]. Aufgrund der Toxizität gegen eukaryotische Zellen [39] ist die Anwendung von Tyrothricin als Antibiotikum auf die lokale Applikation beschränkt [40], insbesondere auf die Behandlung von infizierter Haut und infizierten oropharyngealen Schleimhäuten.

Tyrothricin könnte seinen Platz in der Behandlung kleiner und oberflächlicher infizierter Wunden finden; außerdem scheint die Entwicklung einer Resistenz gegen Tyrothricin selten [34]. So führte beispielsweise die Langzeitanwendung von Tyrothricinzahnpasta über 2 Jahre durch 99 Probanden weder zur einer Zunahme der Zahl an tyrothricinresistenten Mikroorganismen noch zu einer vermehrten Kreuzresistenz gegen Penicillin, Streptomycin, Tetracycline und Chloramphenicol [41]. Eine neuere Studie ergab, dass grampositive Bakterien einschließlich Staphylokokken und Streptokokken (einschließlich Enterokokken) sowie Corynebacterium- Spezies und Hefe-Spezies, namentlich C. albicans und Candida parapsilosis, immer noch hochempfindlich gegenüber Tyrothricin sind, und die Empfindlichkeit von zuvor empfindlichen grampositive Bakterien- und Hefestämmen konnte über die Jahre erhalten werden. Dies zeigt, dass das Risiko einer Resistenzentwicklung gegenüber topisch appliziertem Tyrothricin vernachlässigbar ist (Engelhard, unveröffentlichte Daten). Die mikrobiologischen Daten stimmen mit den klinischen Daten überein. Im Einzelnen wurden die Wirksamkeit und Verträglichkeit eines antiseptischen Wundpuders auf Tyrothricingrundlage in einer prospektiven, randomisierten Multicenter-Studie mit 131 Patienten mit posttraumatischen und chirurgischen Hautläsionen nachgewiesen. Tyrothricinpuder erwies sich gemäß Radius der Läsionen (p = 0,016) und Wundindex (p = 0,005) als überlegen gegenüber Vehikel, wohingegen die Verträglichkeit von Verum und Vehikel sich nicht unterschied [42]. Die einschlägigen Ergebnisse und die fehlende Evidenz für eine Resistenzentwicklung spiegeln sich in der Zulassung des Arzneimittels für topische Formulierungen, die Tyrothricin 0,1% enthalten (Tyrosur® Puder/Gel), zur Behandlung von Wunden mit bakterieller Superinfektion durch empfindliche Mikroorganismen. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie ein «altes» Medikament noch immer angewendet werden kann und tatsächlich heute noch immer zur Behandlung von Hautkrankheiten eingesetzt wird, auch wenn ursprünglich der genaue Wirkmechanismus nicht bekannt war.

Angesichts der guten klinischen Erfahrungen mit der Anwendung der «alten» AMPs wie Tyrothricin und dem nachfolgenden Verständnis ihres Wirkmechanismus ist das Potenzial der «natürlichen Antibiotika» in ihrer Gesamtheit im Hinblick auf die Behandlung infektiöser Hauterkrankungen in den Fokus gerückt. Dank der wesentlich verbesserten Möglichkeiten der molekularen Medizin wurden die immunmodulatorischen Effekte der AMPs auf das angeborene Immunsystem und die adaptive Immunreaktion aufgedeckt, und die AMPs könnten daher zur Behandlung entzündlicher Hauterkrankungen allgemein und insbesondere zur Verbesserung der Wundheilung eingesetzt werden. Wegen des neuen Verständnisses der translationalen Medizin als einer «Straße mit Verkehr in beiden Richtungen» und wegen der zahlreichen regulatorischen Hürden und Schwierigkeiten, die derzeit dem Wissenstransfer vom Labor in die Klinik im Weg stehen [14], ist der erste Schritt bei der Herangehensweise der heutigen Dermatologie, die Rolle der AMPs in der menschlichen Haut zu verstehen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden gezielte Therapiestrategien entwickelt, die auf den Wirkmechanismus abzielen. In einem dritten Schritt sollen die in präklinischen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse in die Praxis umgesetzt werden, und die AMPs, die die definierten krankheitsbezogenen Prozesse modulieren, müssen in klinischen Studien auf ihre Wirksamkeit und Verträglichkeit getestet werden. Der derzeitige Stand der Forschung ist jedoch ein verbessertes Verständnis der physiologischen Aktivität der AMPs in der menschlichen Haut - und infolgedessen ihrer Bedeutung bei infektiösen und entzündlichen Hauterkrankungen.

AMPs wurden in Bakterien, Wirbellosen und bei Wirbeltieren gefunden; sie zeigen Aktivität in Organismen mit und ohne komplexes adaptives Immunsystem [43,44]. Die Beobachtung, dass AMPs lokal im Epithel gebildet werden, nachdem Wirbellose wie die Motte Hyalophora cecropia, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster und mindestens 150 weitere Insekten [43,45] Kontakt mit Mikroben hatten, stützt die Hypothese, dass AMPs Bestandteil einer Art von primärem «chemischem» Abwehrsystem sind, das - neben der physischen Barriere durch die Haut - die Grenzflächen gegen Infektionen mit pathogenen Mikroorganismen schützt. Diese Hypothese wurde in den späten 1980er Jahren gestützt als die ersten induzierbaren AMPs bei Wirbeltieren isoliert wurden [19], beispielsweise das AMP Magainin. Es wird in den neuroepithelialen Drüsen der Froschhaut auf Stimulation durch Noradrenalin gebildet [46]. Magainin verfügt über ein breites Spektrum antimikrobieller Aktivität gegen grampositive und gramnegative Bakterien und Pilze [21], sowie über antivirale Eigenschaften [47] und möglicherweise eine spermizide Aktivität [48]. Magainin bindet an anionische Phospholipide auf dem äußeren Blatt der Bakterienmembranen und bewirkt dadurch eine Störung der Membranpermeabilität mit nachfolgender Zelllyse [20,21,49,50,51,52]. Gegenwärtig werden Magainine und ihre Analoga als vielversprechende Wirkstoffe für zukünftige therapeutische Ansätze betrachtet.

Die menschliche Haut ist permanent Mikroorganismen ausgesetzt, wird jedoch selten infiziert, d.h., sie besitzt eine natürliche Resistenz gegenüber Krankheitserregern. Ein Grund dafür, wenn nicht sogar der wichtigste, könnte die Existenz von konstitutiv und induzierbar gebildeten AMPs sein [43]. Tatsächlich ist die menschliche Haut eine der wichtigsten Quellen von AMPs [44] mit Keratinozyten als den Hauptbildnern [6], denn die kutanen AMPs umfassen die Hauptgruppen der Defensine, Cathelicidine, Dermcidin (DCD) und andere kleine Peptide wie Neuropeptide und Chemokine [44]. Über mehrere Jahre bestand ein starkes Interesse daran, die Rolle der konstitutiv gebildeten und insbesondere der induzierbaren AMPs bei infektiösen/entzündlichen Erkrankungen besser zu verstehen und ihren Wirkmechanismus («vom Krankenbett ins Labor») zu ermitteln, um langfristig in der Lage zu sein, das therapeutische Potenzial dieser Peptide bei Hauterkrankungen gezielt einzusetzen («aus dem Labor ans Krankenbett»). Im folgenden Abschnitt werden die wichtigsten menschlichen AMPs kurz dargestellt und ihre Rolle bei infektiösen/entzündlichen Krankheiten beleuchtet.

Bei den menschlichen Defensinen handelt es sich um AMPs aus 30-40 Aminosäuren mit einem Molekulargewicht von etwa 3-4 kDa; sechs Cysteine bilden intramolekulare Disulfidbrücken [4]. Entsprechend ihren typischen Räumen zwischen den Cysteinresten und ihrem Disulfidmuster können die Defensine als α-, β- und θ-Formen klassifiziert werden. Neutrophile exprimieren α-Defensine [53], wohingegen Keratinozyten β-Defensine bilden [6]. Bis jetzt wurden sechs verschiedene menschliche α-Defensine beschrieben: HPN(Human Neutrophil Peptide)-1, HPN-2, HPN-3, HPN-4 sowie HD(Human Defensin)-5 und HD-6, wobei die beiden letztgenannten nur in den Paneth-Zellen (langlebige sekretorische Zellen) des Dünndarms [54] konstitutiv gebildet und im Urogenitaltrakt aktiv sezerniert werden; HD-5 wird außerdem im weiblichen Reproduktionsgewebe exprimiert [55]. Bis heute wurden vier verschiedene von Keratinozyten gebildete β-Defensine identifiziert und beschrieben: HBD(humanes β-Defensin)-1 bis HBD-4 [44]. HBD-2 und HBD-3 werden stark durch grampositive Bakterien induziert und die Induzierbarkeit von HBD-3 beeinflusst die Schwere grampositiver Hautinfektionen [56]. θ-Defensine wurden hauptsächlich bei niederen Primaten gefunden [57]; beim Menschen sind sie bislang jedoch noch nicht nachgewiesen worden.

Sowohl α- als auch β-Defensine zeigen eine breite antibakterielle Aktivität gegen grampositive und gramnegative Bakterien; sie besitzen außerdem antimykotische und antivirale (Adenovirus, Papillomavirus, HIV und HSV) Aktivität, die auf verschiedenen Wirkmechanismen beruht, darunter die Modulation von Rezeptoren auf immunkompetenten Zellen und die Hemmung verschiedener Schritte der viralen Infektiosität [44]. Wie bei den AMPs allgemein besteht der angenommene Mechanismus der Bakterienabtötung in der Bindung der positiv geladenen Defensine an negativ geladene bakterielle Membranen, die zu einer Permeabilisierung der Membran führt [44].

Cathelicidinpeptide, einschließlich humanes Cathelicidin LL-37, bilden meist eine α-helikale Struktur; wegen ihrer kationischen Ladung können diese AMPs an die negativ geladenen Bakterienmembranen binden [44]. Beim Menschen wird nur Cathelicidin LL-37 von Neutrophilen, Mastzellen und Keratinozyten (auf einen Entzündungsreiz hin) als den Hauptquellen exprimiert [6]. LL-37 zeigt breite Aktivität gegen grampositive und gramnegative Bakterien und wirkt synergistisch mit anderen AMPs wie β-Defensinen [58]. Neben seiner mikrobiziden Wirkung ist LL-37 in der Lage, chemotaktisch Mastzellen, Neutrophile, Monozyten und T-Zellen an die Entzündungsherde locken; es moduliert außerdem die Immunreaktion und die Reepithelisierung von Hautwunden [59], so dass LL-37 ein interessantes Peptid für die therapeutische Intervention bei infektiösen/entzündlichen Krankheiten ist [60].

DCD wurde in den ekkrinen Drüsen nachgewiesen und scheint das wichtigste AMP im Schweiß zu sein [61]. Anders als die Defensine und Cathelicidine wird DCD konstitutiv im menschlichen Schweiß sezerniert und ist nicht durch Verletzung und Hautentzündung induzierbar [62]. Durch proteolytische Spaltung einer 9,3-kDa-Vorstufe entsteht ein Peptid aus 47 Aminosäuren (DCD-1) mit antimikrobieller Aktivität (in niedrigen mikromolaren Konzentrationen) gegen S. aureus, Enterococcus faecalis, Escherichia coli und C. albicans unter In-vitro-Bedingungen, die dem menschlichen Schweiß ähneln [61]. Im Gegensatz zu den Defensinen und Cathelicidinen tötet DCD-1 die Bakterien höchstwahrscheinlich nicht durch Permeabilisierung der Membranen, da es sich bei DCD-1 um ein anionisches Peptid handelt, das je nach Umgebungsbedingungen eine flexible Struktur mit α-Helix und β-Faltblatt aufweist [63]. Die Menge von DCD-1 in menschlichem Schweiß, die bei Gesunden 1-10 μg/ml beträgt [61], scheint bei Patienten mit atopischer Dermatitis verringert zu sein [43].

Neben Defensinen, Cathelicidinen und DCD exprimiert die menschliche Haut weitere AMPs wie Proteinaseinhibitoren, Chemokine und neuronale Proteine/Peptide, mit RNase 7 und Psoriasin (S100A7) als den Hauptvertretern [44]. Das hochbasische 14,5-kDa-Protein RNase 7 [64] ist eines der wichtigsten Heparin bindenden Proteine im Stratum corneum gesunder menschlicher Haut [43]. Neben dem relativ reichlichen Vorkommen in menschlicher Haut kann die Expression von RNase 7 durch proinflammatorische Zytokine und möglicherweise durch Bakterien zusätzlich induziert werden [64,65]. RNase 7 aus menschlicher Haut zeigt eine breite Aktivität gegen gramnegative (E. coli und P. aeruginosa) und grampositive Bakterien (Propionibacterium acnes und S. aureus) sowie gegen die Hefe C. albicans [44]. In dieser Hinsicht ist RNase 7 eines der potentesten und wirksamsten bislang bekannten humanen antimikrobiellen Proteine [43]. Kürzlich wurde mit RNase 8 ein anderes Mitglied der RNase-Familie als ein neuartiges AMP mit breiter mikrobizider Aktivität identifiziert [66].

Psoriasin ist ein Calcium und Zink bindendes Peptid, das im Stratum corneum gesunder Haut exprimiert wird [44,67] und in noch größeren Mengen in psoriatischer Haut [68]. Psoriasin ist der wichtigste E.-coli-bakterizide Faktor und eine der angeborenen Barrieren gesunder Haut; P. aeruginosa und S. aureus sind weniger empfindlich [43,44,67].

Was die AMPs für die angewandte Dermatologie besonders interessant macht, ist der Zusammenhang zwischen dem Schweregrad verschiedener Hautkrankheiten und der Expression von AMPs. Die Korrelationen können positiv oder invers sein [6,44]. Beispielsweise sind Verbrennungen und chronische Wunden im Vergleich zu normaler Haut mit erniedrigten AMP-Konzentrationen verbunden. Eine Verminderung von DCD im Schweiß geht mit einer Störung der angeborenen Abwehr der menschlichen Haut einher, wohingegen die AMP-Überexpression in menschlicher Haut bei Psoriasis, Rosacea oder anderen entzündlichen Hauterkrankungen mit einem erhöhten Schutz gegen Infektionen verbunden ist [6]. Diese Befunde sprechen dafür, dass AMPs ein Potenzial für die therapeutische Anwendung haben. Vor der praktischen Anwendung sollte die Rolle bestimmter Peptide bei verschiedenen Hautkrankheiten genau bekannt sein.

Psoriasis ist eine entzündliche, nichtinfektiöse Hauterkrankung mit typischen entzündlichen Plaques, die die Hyperproliferation der Epidermis und die dadurch bedingte massive Bildung von Hautschuppen widerspiegeln [6,69]. Psoriasis gilt als Autoimmunerkrankung, da in psoriatischen Läsionen hohe Konzentrationen proinflammatorischer Zytokine, Chemokine sowie aktivierter T-Zellen und Antigen präsentierender Zellen nachweisbar sind. Interessanterweise kommt es in der Haut von Patienten mit Psoriasis zu einer starken Hochregulation fast aller bekannten AMPs wie der β-Defensine HBD-2 und HBD-3, Cathelicidin LL-37, Psoriasin, RNase 7 und anderer AMPs (wie ALP/SLP1, Elafin/SKALP) [6,65] (siehe auch Abb. 3). Die Überexpression von AMPs, die mit synergistischer Interaktion einhergeht, scheint ein Hauptgrund für die beobachtete verringerte Empfindlichkeit psoriatischer Haut gegenüber kutanen bakteriellen Infektionen zu sein [70].

Zwar ist der Mechanismus der AMP-Induktion in psoriatischer Haut nicht vollständig bekannt, doch scheint ein enger Zusammenhang mit den erhöhten Konzentrationen von Zytokinen wie IL-1β und IL-6, sowie IFN-α und IFN-γ zu bestehen [11,71,72,73,74]. Diese Hypothese wird durch die Cathelicidin-LL-37-Induktion von IFN-α gestützt [75].

Rosacea ist eine häufig auftretende, chronische und oftmals unterdiagnostizierte Hauterkrankung unklarer Ätiologie. Die verschiedenen klinischen Manifestationen, die mit dieser Krankheit verbunden sind, treten überwiegend bei der hellhäutigen weißen Population im Alter zwischen 30 und 50 Jahren auf [76,77]. Die dermatologischen Manifestationen der Rosacea betreffen überwiegend Wangen, Nase, Kinn und die zentrale Stirn. Die Erstsymptome einer Rosacea sind intermittierender zentraler Gesichts-Flush und Gesichtserythem. Darüber hinaus kann die Krankheit mit Manifestationen am Auge einhergehen [78]. Bis heute ist die Pathogenese der Rosacea im Detail nicht bekannt, allerdings liegen zunehmend Hinweise vor, dass Rosacea mit ihren häufigen Symptomen wie entzündliche Läsionen, Erythem, Teleangiektasien, phymatöse Veränderungen und Augensymptome entzündlicher Natur ist [79].

Kürzlich konnte gezeigt werden, dass die Symptome der Rosacea durch Triggerfaktoren der angeborenen Immunreaktion wie z.B. die Freisetzung der von Keratinozyten gebildeten Cathelicidin-AMPs verschlimmert werden [80]. Offenkundig spielt Cathelicidin bei entzündlichen Hautreaktionen eine Rolle, denn Patienten mit Rosacea exprimieren Cathelicidin LL-37 in abnorm hohen Konzentrationen in der Gesichtshaut, und spezielle proteolytisch prozessierte Formen von Cathelicidinpeptiden, die bei Rosacea zu finden sind, unterscheiden sich von den bei Gesunden nachweisbaren Formen [79,81]. Diese Formen, nicht jedoch die aus gesunder Haut, sind in der Lage, die Freisetzung von proinflammatorischem IL-8 aus Keratinozyten zu induzieren [6]. Das bedeutet, in der Pathogenese der Rosacea werden Cathelicidinpeptide wahrscheinlich abnorm zu Formen prozessiert, die eine Entzündungsreaktion induzieren [7]; dies beweist, dass die erhöhten Konzentrationen von Cathelicidinen an der chronisch entzündlichen Reaktion der Haut von Rosacea-Patienten beteiligt sind [6].

Acne vulgaris ist eine chronisch entzündliche Erkrankung der Haartalgdrüseneinheiten, die bei vielen Jugendlichen und jungen Erwachsenen auftritt. Charakteristisch für diese Hautkrankheit ist die Entstehung von Komedonen, Papeln, Pusteln, Knoten und/oder Zysten infolge der Obstruktion und Entzündung. Bei der Pathogenese, soweit diese bislang bekannt ist, spielen eine übermäßige Talgproduktion, follikuläre Hyperproliferation, Entzündungsreaktionen und Besiedelung mit P. acnes eine Rolle [82]. Im läsionalen und periläsionalen Epithel von Patienten mit Acne vulgaris ist eine deutliche Hochregulation von humanen β-Defensinen (HBD-1 und HBD-2) nachweisbar, die im Fall von HBD-2 höchstwahrscheinlich durch P. acnes ausgelöst und über den Toll-like-Receptor(TLR)-Signalweg vermittelt wird [83]. Die Rolle anderer AMPs ist noch zu klären; es ist jedoch bekannt, dass die von Keratinozyten und Sebozyten exprimierten β-Defensine, Cathelicidin LL-37 und Psoriasin in der Lage sind, P. acnes abzutöten, was diese AMPs zu möglichen zukünftigen Kandidaten für therapeutische Interventionen, die auf die Pathogenese von Akne abzielen, macht. Ein weiteres, für die zukünftige Behandlung von Akne interessantes AMP ist Omiganan, ein neuartiges, synthetisches, kationisches Analogon des AMPs Indolicidin, das ursprünglich aus den zytoplasmatischen Granula boviner Neutrophilen isoliert wurde [84]. In vitro zeigt es Aktivität gegen ein breites Spektrum von Mikroorganismen, einschließlich grampositiver und gramnegativer Bakterien und Pilze [84]. Omiganan ist der modernste Wirkstoff in der Frontlinie der AMP-Anwendungen [85] und wird derzeit für die Behandlung von Akne und Rosacea klinisch getestet.

Die atopische Dermatitis ist eine komplexe chronisch entzündliche Hauterkrankung, die durch Xerose, Pruritus und erythematöse Läsionen mit erhöhtem transepidermalem Flüssigkeitsverlust gekennzeichnet ist [86]. Die atopische Dermatitis hat erhebliche Auswirkungen auf die Lebensqualität der Patienten und ihrer Familien. Neue Erkenntnisse hinsichtlich der Pathophysiologie der Erkrankung verweisen auf eine wichtige Rolle von Strukturanomalien in der Epidermis in Verbindung mit einer Fehlregulation des Immunsystems [87]. Typischerweise zeigen Patienten mit atopischer Dermatitis eine Prädisposition zur Besiedelung oder Infektion durch verschiedene Mikroorganismen, insbesondere S. aureus und HSV A [87]. Einigen Studien zufolge, in denen die AMPs in läsionaler Haut untersucht wurden, ist die atopische Dermatitis im Gegensatz zu Psoriasis, Rosacea und Acne vulgaris durch eine verringerte Expression von AMPs, insbesondere Cathelicidin LL-37 und HBD-2, gekennzeichnet [72,88,89]. Es wurde angenommen, dass eine bei atopischer Dermatitis verminderte Induktion von AMPs zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Hautinfektionen insbesondere mit S. aureus beitragen kann [72,90]. Allerdings haben die meisten Studien zum Grad der AMP-Expression bei atopischer Dermatitis die Konzentrationen überwiegend mit psoriatischer Haut und nicht mit gesunder Haut verglichen [72,88,89]. Gläser et al. [91] beobachteten, dass die Expression und Sekretion von Psoriasin in der Haut von Patienten mit atopischer Dermatitis stärker induziert wurde als in gesunder Haut, was dafür spricht, dass bei atopischer Dermatitis keine allgemeine Verringerung der Expression von AMPs vorliegt. Eine verstärkte Expression von RNase 7, Psoriasin sowie HBD-2 und HBD-3 in durch atopische Dermatitis geschädigter Haut im Vergleich zu läsionsfreier Haut und gesunden Kontrollen wird möglicherweise durch eine gestörte Hautbarriere ausgelöst. Demnach muss die Rolle der AMPs bei atopischer Dermatitis, insbesondere im Hinblick auf die Kontrolle der Besiedelung mit S. aureus noch genauer beleuchtet werden [92].

Die funktionelle Rolle von konstitutiv und induzierbar exprimierten AMPs nach Hautverletzung und bei chronischen Wunden erfordert ebenfalls weitere Untersuchungen. Gegenwärtig sprechen die Daten aus der Literatur dafür, dass es nach einer Hautverletzung, einschließlich Verbrennungen, zu einer Hochregulation von AMPs wie Cathelicidin LL-37, HBD-2, HBD-3, Psoriasin und RNase 7 kommt [5,21,44], wohingegen die Expression von Cathelicidin im chronischen Wundstadium gering ist oder sogar ganz fehlt [6,44]. Da LL-37 einen direkten Effekt auf die Wundheilung hat, indem es die Neovaskularisation und Angiogenese fördert [5,93], scheint dieses AMP der erfolgversprechendste Wirkstoff für zukünftige Ansätze zu sein, um die gestörte Wundheilung zu antagonisieren.

Es gibt auch andere Hautkrankheiten, die mit einer veränderten AMP-Expression verbunden sind; allerdings sind die einschlägigen Daten noch etwas fragmentarisch und bislang nicht vollkommen konsistent. Allgemein scheinen entzündliche Hauterkrankungen mit einer erhöhten Expression von AMPs verbunden zu sein. Beispielsweise wurde gezeigt, dass es bei superfizieller Follikulitis zu einer Hochregulation von HBD-2 kommt [94] und bei lokalisierter Sklerodermie zu erhöhten HBD-1- , HDB-2- und HBD-3-mRNA-Konzentrationen [95]. Eine hohe Expression von HPN-3 wurde bei Patienten mit kutanem T-Zell-Lymphom gefunden [96]. Condylomata acuminata und Verrucae vulgares gehen mit einer erhöhten Expression von Cathelicidin LL-37 einher [97]. Insgesamt muss die genaue Funktion der AMPs bei den genannten Krankheiten jedoch noch weiter geklärt werden.

Auf dem Boden der neuen Erkenntnisse hinsichtlich der zellulären und molekularen Rolle der AMPs in der menschlichen Haut und bei bestimmten oben beschriebenen Hautkrankheiten ist zu erwarten, dass eine zweite Welle neuer «aus dem Labor ans Krankenbett»-AMPs in wenigen Jahren zu unserem therapeutischen Arsenal gehören wird [23].

Verschiedene AMPs werden derzeit im Labor untersucht und die Anwendung dieser Peptide in In-vitro-Experimenten und Tiermodellen ist dem Anschein nach erfolgreich [45]. Trotz unbestreitbarer Erfolge im präklinischen Bereich haben jedoch bislang nur wenige AMPs die Phase der Untersuchung in klinischen Studien erreicht [45,98,99]. Gegenwärtig haben sich vier AMPs in therapeutischen klinischen Studien als erfolgreich erwiesen [5]. Pexiganan, ein Magainin-Derivat, das zur Behandlung von infizierten Fußgeschwüren bei Diabetikern entwickelt wurde und in Phase-III-Studien eingetreten ist [45], hat sich als ebenso wirksam wie orales Ofloxacin erwiesen; letztlich hat es jedoch keine Zulassung durch die US-amerikanische FDA (Food and Drug Administration) erhalten [98]. Omiganan hat eine Phase-II-Studie zur Behandlung von Rosacea und zwei Phase-II-Studien zur Behandlung von Akne abgeschlossen. Letztere wiesen die Wirksamkeit gegen alle Typen von Akneläsionen nach [100]. Ein möglicher Grund für die Tatsache, dass klinische Studien, und in noch viel höherem Maße große Phase-III-Studien, mit AMPs sehr selten durchgeführt werden, ist das noch immer begrenzte Wissen über die Stabilität von Peptiden, obgleich die Stabilitätsprobleme durch Zugabe von Proteaseinhibitoren weitgehend überwunden werden können [45]. Ein unter Umständen noch wichtigerer Grund dafür, dass bislang so wenige AMPs klinisch getestet wurden, scheint die mögliche Zytotoxizität der AMPs zu sein [45,101]. Beispielsweise führte das Säugetier-AMP Protegerin-1 im Sepsismodell der Maus zu einem Rückgang der Bakterienzahl, doch verringerte es auch die Überlebensrate - wahrscheinlich durch Induktion der Endotoxinfreisetzung und dadurch bedingte Modifikationen der angeborenen Immunreaktion des Wirts [102].

Zwar bestehen Probleme mit der Zytotoxizität der AMPs, doch sind diese in der topischen Behandlung von Hautkrankheiten sicher weniger signifikant als in der systemischen Therapie infektiöser und/oder entzündlicher Erkrankungen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig darauf hinzuweisen, dass Tyrothricin, auch wenn es wegen seiner systemischen Toxizität nur topisch verabreicht werden kann, in der Behandlung von Hautkrankheiten wirksam und gut verträglich ist. In jüngster Zeit wurden zunehmend Strategien entwickelt, die auf eine verringerte Zytotoxizität von AMPs und, wenn möglich, auf eine gleichzeitig verbesserte antimikrobielle Aktivität abzielen [5].

Eine dieser Strategien besteht in der Herstellung von Designer-Peptiden wie P-Novispirin G10 [103]. Diese besitzen geringe zytotoxische Aktivität und häufig gleichzeitig eine verbesserte therapeutische Wirksamkeit, wie sie für ein bakterizides immunmodulatorisches Fusionspeptid von HBD-3 mit einem Mannose bindenden Lectin gezeigt wurde, das selbst gegen MRSA wirksam war [104]. Eine andere vielversprechende Strategie ist die Entwicklung von Analoga und trunkierten Formen menschlicher AMPs z.B. von Cathelicidin LL-37, die weniger hämolytisch und toxisch und gleichzeitig wirksamer sind als natives LL-37 [105,106]. Und schließlich nehmen einige Wissenschaftler eine Substitution verschiedener L-Aminosäuren in AMPs vor, um die Toxizität zu verringern [107], oder sie kombinieren herkömmliche Antibiotika mit AMPs, um eine hohe antimikrobielle Aktivität und niedrige Toxizität zu gewährleisten [5,108] bei gleichzeitiger Senkung des Risikos einer bakteriellen Resistenz. Zwar lässt sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht sagen, welche dieser Strategien letztlich zum Erfolg führen und dazu beitragen wird, neue AMPs oder ihre Derivate in die klinische Anwendung zur Behandlung von infektiösen und/oder entzündlichen Hauterkrankungen zu bringen, doch bleibt die Tatsache, dass weltweit intensiv an diesen Problemen gearbeitet wird, bestehen.

Auf dem Boden neuer Erkenntnisse hinsichtlich der zellulären und molekularen Rolle der AMPs in der menschlichen Haut und bei infektiösen und entzündlichen Hautkrankheiten ist zu erwarten, dass die AMPs oder ihre rekombinanten Analoga in einigen Jahren zu unserem therapeutischen Arsenal gehören werden. In jüngster Zeit wurden zunehmend Strategien entwickelt, die auf eine verringerte Zytotoxizität von AMPs und idealerweise gleichzeitig auf eine verbesserte antimikrobielle Aktivität abzielen [5]. Dennoch sind «alte» AMPs wie Tyrothricin heutzutage immer noch klinisch von Bedeutung in der Behandlung infektiöser Hautkrankheiten und werden möglicherweise eine Renaissance als natürliche Antibiotika erleben.

Die Erstellung dieses Manuskripts wurde durch ein Forschungsstipendium von Engelhard Arzneimittel GmbH & Co KG, Niederdorfelden, an C. S unterstützt; H. C. K. arbeitet mit Engelhard Arzneimittel in der Entwicklung topischer Arzneimittel gegen Hautkrankheiten zusammen. M. S.-G. ist Angestellte des Unternehmens, das diese Untersuchung unterstützt hat; sie hat jedoch keine persönlichen finanziellen Interessen an den in dieser Arbeit beschriebenen Untersuchungen. Die Analyse und Auswertung der Daten wurde nicht durch das Unternehmen beeinflusst. H. C. K. und M. S.-K. sind die Hauptprüfer des von der EU finanzierten Forschungsprojekts «Nanoskin».

Übersetzung aus Skin Pharmacol Physiol 2012;25:323-334 (DOI: 10.1159/000341990)