TP1: Das sympathische Nervensystem (SNS) moduliert Immunantworten. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bis heute kaum verstanden. Synoviale Fibroblasten (SF) und Osteoklasten sind Effektorzellen der Arthritis. Ob die Effektorfunktionen dieser Zellen durch das SNS beeinflussbar sind, ist unbekannt. Im hier angestrebten Projekt soll an einem Mausmodell untersucht werden, ob der molekulare Dialog zwischen SNS einerseits und SF und Osteoklasten andererseits therapeutisch wirksam moduliert werden kann. TP3: Gegenstand des Vorhabens ist die Erforschung von Behandlungsoptionen des chronischen Gelenkschmerzes. Untersucht wird: 1) das analgetische Potenzial der Neutralisierung proinflammatorischer Zytokine und anderer Immunzellmediatoren, 2) die Bedeutung der Zytokine versus anderer Mediatorgruppen für den Schmerz im chronisch-destruktiven Stadium der Arthritis, 3) Veränderungen der Innervation des Gelenks und des Expressionsmusters von Molekülen der Neuroimmuninteraktionen bei Gelenkerkrankungen. Desweiteren erfolgen Verhaltensuntersuchungen zum Schmerz in Arthritismodellen der Maus und dessen Beeinflussung durch die Neutralisation von Zytokinen und Nerve growth factor, durch Opioide und Medikamente gegen neuropathische Schmerzen; Elektrophysiologische Untersuchungen in anästhesierten Ratten zur Wirkortbestimmung; Immunhistochemische Untersuchungen zu Veränderungen der Innervation und des Expressionsmusters von Molekülen der Neuroimmuninteraktionen in menschlichen und tierischen Gelenken bei Arthritis und Arthrose. TP1: Untersucht wird der Einfluss des sympathischen Nervensystems auf Lymphozyten und Effektorzellen der Arthritis (Fibroblasten, Osteoklasten): Tiermodell, gendefiziente (knockout) Mäuse, Knochenmarkschimären, Zelltransfer-Experimente in vivo, Knochenmarks-Chimären. Außerdem erfolgen Ex vivo-Experimente (z.B. MATRIN assay, attachment assays, multiparametrische Durchflusszytometrie) zur Bestimmung der Effektorfunktionen von Lymphozyten, Synovialfibroblasten und Osteoklasten.

Neuronale Störungen können einen erheblichen Effekt auf die Knochenhomöostase, die Knochenreparatur und -regeneration haben. Es wird vermutet, dass Substanz P (SP) und Calcitonin Gene-related Peptide (CGRP) positive sensible Nervenfasern, sowie sympathische Neurotransmitter über a- und ß-Adrenorezeptor-induzierte Signalwege, frühe Entzündungs- und Schmerzbezogene Prozesse nach osteoporotisch bedingten Frakturen beeinflussen. Östrogene haben einen anabolen Effekt auf Knochengewebe, indem sie die Produktion von Entzündungsfaktoren einschränken. Daher wirkt eine Verminderung des Östrogengehaltes katabol und stimuliert die Bildung von knochenabbauenden Osteoklasten. Sensible und sympathische Neurotransmitter können die IL-6 Sekretion stimulieren. Weiterhin wird vermutet, dass eine erhöhte IL-6 Produktion nach Ovariektomie die Frakturheilung verschlechtert und das Frakturrisiko erhöht. Osteoporose Modell: ovariektomierte (OVX) weibliche K.O. und WT-Mäuse. Frakturmodell: flexibel stabilisierte femorale Frakturen (fixateur externe) 4 Wochen nach OVX. K.O. Mäuse: SP-defizient; alpha-CGRP-defizient; ß1/ß2-Adrenorezeptor-defizient) und 6-OHDA sympathektomierte Mäuse. Behandlung: Applikation von Tocilizumab vor Fraktur zur Inhibierung der IL-6 Effekte. Patientenmaterial: Knochenbiopsien von humanen osteoporotischen Frakturen. WP1 und 2: Rolle der sensiblen und sympathischen Neurotransmitter in der Frakturheilung. Analyse des Frakturheilungsprozesses (Kallusreifung), Entzündungs- und Schmerzreaktionen in Gendefizienten- und sympathektomierten Mäusen. Readout: Morphometrie, Knochenstrukturanalyse, Immigration von Immunzellen in den Kallus, Hyperalgesie-Tests. WP3: Applikation von Tocilizumab in die verschiedenen Mausstämme. Readout wie in WP 1 und 2. WP4: Stimulierung osteoporotischer Knochenexplantate (human und murin) mit Neurotransmittern in vitro. Readout: Produktion inflammtorischer Faktoren und MMPs, Angiogenese und Osteoklastogenese.

In diesem Projekt wird bei Menschen und Mäusen mit chronischer Arthritis durch die funktionelle Magnetresonanztomografie die Gehirnaktivität bei mechanischer bzw. thermischer Stimulation dargestellt und es wird die Frage bearbeitet, ob die Neutralisierung des proinflammatorischen Zytokins Interleukin-6 zur Reduktion von Schmerzen und der schmerzassoziierten Gehirnaktivität führt. Ferner wird in diesem Projekt systematisch untersucht, ob sich das Aktivierungsmuster des Gehirns in akuten und chronischen Arthritisphasen unterscheidet. Hierbei wird nicht nur die eigentliche Aktivierung der Gehirnstrukturen durch die Magnetresonanztomografie erfasst, sondern es werden durch eine voxelbasierte Morphometrie auch strukturelle Veränderungen des Gehirns untersucht. Schließlich wird exploriert, inwieweit die therapeutische Blockade von Interleukin-6 und anderen Zytokinen auch strukturelle Veränderungen bei Arthritis rückgängig machen kann. Ferner wird Aufschluß darüber erwartet, ob die positive therapeutische Beeinflussung der Gehirnaktivität als prognostisches Zeichen einer insgesamt guten Ansprechbarkeit auf die Zytokinneutralisation gewertet werden kann. AP1: fMRI-Untersuchungen der Gehirnaktivität bei Maus und Mensch werden mittels fMRI im sog. „resting-state" wie auch stimulusinduziert untersucht und in enger Kooperation mit den peripheren Effekten (TP3) einer IL6-Blockade mittels Tocilizumab analysiert. AP2: Wir untersuchen mittels anatomischer Bildgebungssequenzen und Voxelbasierte morphometrische Analysen, ob es in der Grauen Substanz des Gehirns bei Maus und Mensch bei chronischer Arthritis zu Änderungen kommt und insbesondere, ob diese Änderungen beim Menschen nach erfolgreicher Therapie reversibel sind. AP3: Funktionelle Charakterisierung der Chronifizierung von Schmerz in dem G6PI-Mausmodell mit induzierbarem Arthritis-Schmerz in enger Kooperation mit TP1.

Der Forschungsverbund hat sich zum Ziel gesetzt, die Rolle des Immunsystems bei der Schmerzentstehung und -förderung bei chronischen Gelenkentzündungen zu verstehen und neue Therapiestrategien zu entwickeln. Das spezielle Ziel dieses Teilprojektes ist es die Rolle der entzündungsfördernden T-Helfer(Th)-Zellen bei der Schmerzförderung bei chronischen Entzündungen zu verstehen. Hierzu sollen Mediatoren, die von Th-Zellen exprimiert werden auf ihr schmerz-modulierendes Potenzial getestet werden. Hierbei sollen Zielstrukturen definiert werden, die therapeutisches Potenzial zur Behandlung chronischer Gelenkschmerzen haben. Im zweiten Schritt soll dann in präklinischen Tiermodellen neue Therapiestrategien zur Schmerzbehandlung entwickelt werden. Die Ziele dieses Teilprojektes sind die Identifizierung Th-Zell-exprimierter Mediatoren, die den Schmerz während einer chronischen rheumatischen Entzündung fördern und die Entwicklung von therapeutischen Strategien die auf die Blockade von schmerzfördernden Molekülen abzielen und deren Testung in präklinischen Tiermodellen.

Die Ausgangshypothese ist, dass die Hochregulation endogener Opioide Arthritis und Schmerz reduziert, während die Herabregulation von Opioiden die Chronifizierung und Ausprägung von Arthritis und Schmerz begünstigt. 1) Um den Einfluss von etablierten Therapieverfahren zu untersuchen, sollen Mäuse mit chronischer G6PI-Arthritis mit Diclofenac, Infliximab (TNFalpha Blocker) oder Rituximab (B cell-Antikörper) behandelt werden. Schmerzverhalten, Expression von Opioidpeptiden und -rezeptoren, posttranslationale Prozessierung von Opioidvorläufern, zelluläre Infiltrate, und Zytokine sollen in Gelenken und drainierenden Lymphknoten untersucht werden. 2) In ähnlicher Weise sollen die Effekte von i.a. Morphininjektionen untersucht und zwischen akuter und chronischer G6PI-Arthritis verglichen werden. 3) Die Modulation von Schmerzverhalten, zellulärer Infiltration, Opioidpeptidproduktion/-freisetzung und von Zytokinen durch Aktivierung beta-adrenerger Rezeptoren wird in Tieren und Geweben der Gruppen Kamradt und Grässel untersucht. 4) POMC-Synthese, Prozessierung, DNA-Methylierung und miRNA-Expression soll in humanen und Immunzellen aus Nagetieren mit Freund’s adjuvans (CFA)-Pfotenentzündung, Ovalbumin-Arthritis und G6PI-Arthritis untersucht werden.

Im Rahmen des Teilprojektes 7 soll eine dreiarmige, doppelblinde, Placebo-kontrollierte klinische Studie durchgeführt werden mit der Fragestellung, ob intraartikuläre Morphin-Injektionen einer Placebo-Injektion überlegen ist und mindestens genauso effektiv ist wie eine intraartikuläre Glukokortikoid-Injektion. In einer Subgruppe von Patienten werden im Rahmen einer Athroskopie auch Biopsien der Synovialmembran gewonnen, um diese auf molekulare und zelluläre Parameter zu untersuchen. Primäre Outcome-Parameter sind klinische Angaben der Patienten wie Schmerzen, sekundäre Parameter sind Veränderungen immunologischer Parameter vor und eine Woche nach Therapie in der Synovialmembran. 1. Insgesamt sollen 110 Patienten mit einer schmerzhaften Gonarthritis in dieser randomisierten, doppel-blinden Studie in einen der drei folgenden Arme eingeschlossen werden: 45 Patienten in den Arm mit intraartikulärer Morphin-Injektion, 45 Patienten in den Arm mit intraartikulärer Dexamethason-Injektion und 20 Patienten mit intraartikulärer Placebo-Injektion. 2. Immunologische, immunhistologische und lokale Morphin/-Rezeptoruntersucherung werden im Material der Synovialmembran im Rahmen der gesamten Studiendauer durchgeführt, um die Mechanismen der analgetischen/anti-inflammatorischen lokalen Morphinwirkung aufzuklären.