LL-37

Beschreibung von LL-37

LL-37 ist das am umfassendsten untersuchte menschliche antimikrobielle Peptid. Es handelt sich um ein kationisches Peptid mit 37 Aminosäuren, das auf natürliche Weise im menschlichen Körper hauptsächlich von polymorphkernigen Leukozyten, Haut, Knochenmark, Neutrophilen und Makrophagen produziert wird. LL-37 wurde Ende der 1990er Jahre bei Untersuchungen der Mechanismen der angeborenen Immunität entdeckt und entsteht durch proteolytische Spaltung eines größeren Vorläufermoleküls namens Cathelicidin, das als Frontverteidigung gegen mikrobielle Krankheitserreger fungiert.

Dieses Peptid ist in der Lage, Bakterien, Viren, Pilze und Schimmelpilze zu beseitigen und gleichzeitig eine entzündungshemmende Wirkung auszuüben. Darüber hinaus fördert es die Gewebereparatur und Angiogenese, was es zu einem vielversprechenden therapeutischen Instrument bei der Behandlung chronischer Entzündungen, Autoimmunerkrankungen und Krebs macht. Aufgrund seiner Fähigkeit, gegen multiresistente Bakterien zu wirken, wird LL-37 auch als mögliche Alternative zu herkömmlichen Antibiotika untersucht.

LL-37 verfügt über einen doppelten Wirkmechanismus: Es zerstört Bakterienmembranen direkt und stimuliert gleichzeitig die Immunantwort. Im Rahmen der Untersuchung dieser Effekte wurde eine rekombinante Form des Peptids – GLL-37 – in E. coli unter Verwendung eines proprietären Expressionssystems in großen Mengen produziert. Allerdings zeigte diese rekombinante Form keine antibakterielle Aktivität, die mit der von synthetischem LL-37 vergleichbar wäre. Die mangelnde Wirksamkeit wurde auf Unterschiede in der Sekundärstruktur zurückgeführt; Insbesondere nahm GLL-37 eine α-helikale Konformation an, die eine wirksame Interaktion mit Bakterienmembranen verhinderte. Die Studie bestätigte, dass das Vorhandensein einer zufälligen Knäuelstruktur, wie sie in nativem LL-37 zu finden ist, für eine wirksame Membranzerstörung unerlässlich ist.

Forschung bestätigte Effekte

1. LL-37 und entzündliche Erkrankungen

Obwohl LL-37 in erster Linie als antimikrobielles Peptid anerkannt ist, unterstreichen zunehmende Erkenntnisse seine entscheidende Rolle in der Pathophysiologie von Entzündungs- und Autoimmunerkrankungen wie Psoriasis, systemischem Lupus erythematodes, rheumatoider Arthritis und Arteriosklerose. LL-37 zeigt je nach entzündlicher Mikroumgebung unterschiedliche immunmodulatorische Wirkungen. Dazu gehören eine erhöhte Produktion von Interferon-alpha (IFN-α) und Interleukin-18 (IL-18), eine verringerte Apoptose von Keratinozyten, eine veränderte Chemotaxis von Neutrophilen und Eosinophilen sowie eine Herunterregulierung der Signalübertragung des Toll-like-Rezeptors 4 (TLR4). Von besonderem Interesse ist die beobachtete Verringerung des Volumens atherosklerotischer Plaques, die mit seiner Aktivität einhergeht.

Experimentelle Studien haben gezeigt, dass LL-37 Immunantworten kontextabhängig moduliert und je nach Aktivierungszustand der Immunzellen variiert. Beispielsweise fördert LL-37 eine entzündungsfördernde Reaktion in nicht aktivierten T-Lymphozyten und reduziert paradoxerweise die Entzündungsaktivität nach deren Aktivierung. Dieser doppelte Effekt lässt darauf schließen, dass LL-37 eine homöostatische Rolle bei der Feinabstimmung von Immunantworten spielt und möglicherweise eine übermäßige Immunaktivierung bei chronischen Entzündungen und Autoimmunerkrankungen verhindert – im Gegensatz zu früheren Annahmen, dass es diese Zustände lediglich verschlimmert.

Auf molekularer Ebene beeinflusst LL-37 die Differenzierung von Monozyten in Makrophagen und fördert den proinflammatorischen M1-Phänotyp. Es reguliert das entzündungshemmende Zytokin IL-10 herunter, steigert gleichzeitig die IL-12p40-Produktion und verstärkt die IL-1β-vermittelte Signalübertragung. Dennoch zeigt LL-37 auch signifikante entzündungshemmende Wirkungen, wie z. B. die Hemmung der Zytokinreaktionen auf IFN-γ, TNF-α, IL-4 und IL-12. Darüber hinaus wirkt LL-37 über den FPR2-Rezeptor als Chemoattraktant, induziert die Migration von Neutrophilen, Eosinophilen und Keratinozyten und unterstützt die Geweberegeneration. Es aktiviert die Transkription des Chemokins CXCL8 und stimuliert die Sekretion von MCP-1/CCL2 und TGF-β und spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung von Entzündungen und Wundheilung.

2. LL-37 und antimikrobielle Aktivität

LL-37 ist ein wichtiger Bestandteil des angeborenen Immunsystems der Haut und wird als eine der ersten Verteidigungslinien bei Infektionen aktiviert. Während die Konzentrationen von LL-37 und anderen antimikrobiellen Peptiden wie menschlichem Beta-Defensin 2 (HBD-2) in gesunder Haut minimal sind, reichern sie sich bei entzündlichen Hauterkrankungen wie Psoriasis deutlich an. Die immunhistochemische Analyse von Hautbiopsien hat eine hohe Expression von LL-37 und HBD-2 in der Epidermis von Psoriasis-Patienten gezeigt, im Gegensatz zu deutlich niedrigeren Werten, die in Läsionen von Personen mit atopischer Dermatitis beobachtet wurden. Diese Unterschiede wurden durch Immunodot-Blot, Western-Blot und quantitative RT-PCR bestätigt, wobei psoriatische Läsionen eine deutlich erhöhte mRNA-Expression für beide Peptide zeigten. Tests zur antimikrobiellen Aktivität ergaben, dass die Kombination von LL-37 und HBD-2 einen synergistischen Effekt bei der Ausrottung von Staphylococcus aureus ausübt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine unzureichende Produktion antimikrobieller Peptide, einschließlich LL-37, ein entscheidender Faktor sein könnte, der zur erhöhten Anfälligkeit von Patienten mit atopischer Dermatitis für bakterielle Hautinfektionen beiträgt.

Das Peptid übt seine Wirkung hauptsächlich durch die Bindung an Lipopolysaccharid (LPS) aus, einem Schlüsselbestandteil der Außenmembran gramnegativer Bakterien, wodurch die Membranintegrität gestört wird und eine starke antimikrobielle Aktivität nachgewiesen wird. Dieser Mechanismus macht LL-37 zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Behandlung schwerer bakterieller Infektionen und Sepsis. Studien haben gezeigt, dass selbst verkürzte Fragmente von LL-37, denen die hydrophoben N-terminalen Aminosäuren fehlen (Fragmente 106 und 110), sowohl antimikrobielle als auch LPS-neutralisierende Eigenschaften behalten, während sie gleichzeitig eine verringerte Zytotoxizität gegenüber menschlichen Zellen aufweisen und die Wirksamkeit in Gegenwart von Serum aufrechterhalten. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial modifizierter LL-37-Derivate als Therapeutika mit geringerem zytotoxischen Profil.

LL-37 zeigt antimikrobielle Aktivität nicht nur gegen gramnegative, sondern auch gegen grampositive Bakterien und verstärkt die Wirkung von Lysozym gegen Staphylococcus aureus. Zusätzlich zu seiner Fähigkeit, LPS zu binden und zu neutralisieren, ist LL-37 vielversprechend für die Behandlung von Sepsis. Allerdings ist seine klinische Anwendung derzeit durch Toxizität und verminderte Aktivität in serumreichen Umgebungen begrenzt. Untersuchungen zeigen, dass die modifizierten LL-37-Fragmente (106 und 110) ihre antimikrobielle Wirksamkeit und LPS-Neutralisierung bewahren, während sie gleichzeitig weniger toxisch und weniger anfällig für Serumhemmung sind, was sie zu attraktiven Kandidaten für die therapeutische Entwicklung macht

3. LL-37 und Lungenerkrankungen

Lipopolysaccharid (LPS), das nicht nur in Bakterien, sondern auch in verschiedenen Umweltorganismen einschließlich Pilzen vorkommt, stellt einen bedeutenden entzündungsfördernden Reiz dar, der eine Schlüsselrolle bei der Pathogenese von Atemwegserkrankungen wie Asthma, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und Überempfindlichkeitspneumonitis nach Inhalation spielt. Als Reaktion auf LPS produzieren Atemwegsepithelzellen antimikrobielle Peptide, darunter LL-37, das zusätzlich zu seiner bakteriziden Aktivität mehrere immunmodulatorische Eigenschaften aufweist, wie z. B. die Stimulierung der Angiogenese, die Proliferation von Epithelzellen, den Wundverschluss und die Freisetzung von Zytokinen. LL-37 neutralisiert auch LPS und reduziert dadurch dessen pathogenes Potenzial. Angesichts dieser Eigenschaften wird die inhalative Verabreichung von LL-37 als potenzieller therapeutischer Ansatz für das Toxizitätssyndrom durch organischen Staub und andere entzündliche Lungenerkrankungen untersucht.

LL-37 ist das einzige beim Menschen exprimierte Cathelicidin und spielt nicht nur eine entscheidende Rolle bei der antimikrobiellen Abwehr, sondern auch bei der Reparatur und Regeneration des Atemwegsepithels. Studien haben gezeigt, dass dieses Peptid die Proliferation und Migration von Epithelzellen fördert und so wesentlich zum Wundverschluss und zur Wiederherstellung der Gewebeintegrität beiträgt. LL-37 erleichtert die Heilung mechanisch induzierter Läsionen in Atemwegsepithelzellen, wobei seine Wirkung serumabhängig ist und über Signalwege vermittelt wird, an denen der epidermale Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR), G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und die MAP/ERK-Kinase-Kaskade beteiligt sind. Darüber hinaus fördert LL-37 die Angiogenese und verbessert dadurch die Nährstoffversorgung des neu gebildeten Gewebes. Diese Eigenschaften legen nahe, dass LL-37 als homöostatischer Regulator in den Atemwegen fungiert, wo es nicht nur Immunantworten moduliert, sondern auch die strukturelle und funktionelle Integrität des Lungenepithels unterstützt.

4. LL-37 bei Arthritis

Untersuchungen, die sich auf die Rolle des Cathelicidins LL-37 bei der Pathogenese der rheumatoiden Arthritis (RA) konzentrieren, weisen auf eine deutliche Hochregulation in den Synovialmembranen der betroffenen Gelenke hin. Eine erhöhte Expression wurde insbesondere bei neutrophilen Granulozyten, Makrophagen und Osteoklasten beobachtet, was auf einen starken Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein des Peptids und laufenden Entzündungsprozessen schließen lässt. Ähnliche Ergebnisse wurden in Experimenten mit Pristan-induzierter Arthritis bei Ratten bestätigt, bei denen erhöhte rCRAMP-Spiegel (das Nagetieräquivalent von LL-37) mit Granulozytenakkumulation, verstärkter Apoptose, erhöhten IFN-α-Spiegeln und Autoantikörperproduktion korrelierten. Trotz dieser Beobachtungen gibt es keinen eindeutigen Beweis dafür, dass Cathelicidine eine direkte Ursache der Krankheit sind. Ihr erhöhtes Vorkommen könnte stattdessen eine Folge der Entzündungsreaktion widerspiegeln und möglicherweise einen Versuch des Organismus darstellen, die Entzündung zu modulieren.

Weitere Studien legen nahe, dass das Fehlen von LL-37 oder seines murinen Analogons CRAMP keinen Einfluss auf das Fortschreiten von rheumatoider Arthritis (RA) oder systemischem Lupus erythematodes (SLE) in Tiermodellen hat. Bei CRAMP-defizienten Mäusen wurden im Vergleich zu Kontrolltieren keine signifikanten Unterschiede in den Serumzytokinspiegeln, Autoantikörpern oder der Expression von Interferon-stimulierten Genen beobachtet. Ebenso wurden keine Unterschiede in der Schwere der Entzündung, des Knorpelschadens oder der Knochenerosion festgestellt. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass die Reaktivität gegenüber LL-37 bei Autoimmunerkrankungen ein Epiphänomen ist, das aus der massiven Überproduktion des Peptids in betroffenen Geweben resultiert, wobei das Peptid selbst keine kausale Rolle bei der Entstehung der Krankheit spielt. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass andere kationische antimikrobielle Peptide sein Fehlen funktionell kompensieren können.

Experimentelle Studien an Mausmodellen für rheumatoide Arthritis (RA) haben gezeigt, dass von menschlichem Cathelicidin LL-37 abgeleitete Peptide, insbesondere das Peptid IG-19, ein erhebliches therapeutisches Potenzial aufweisen. Die Verabreichung von IG-19 an betroffene Gelenke führte zu einer Linderung der klinischen Symptome von Arthritis, einer Verringerung der Kollagen-Typ-II-spezifischen Antikörper sowie einer verringerten Infiltration von Entzündungszellen und einem Schutz des Knorpelgewebes. Diese Effekte legen nahe, dass LL-37 und seine Derivate möglicherweise aufgrund ihrer entzündungshemmenden und immunregulatorischen Eigenschaften eine schützende Rolle bei entzündlichen Erkrankungen spielen. Im Gegensatz zu anderen Cathelicidin-Derivaten wie IDR-1018 war die Wirkung von IG-19 spezifisch und biologisch aktiv, was die Bedeutung sequenz- und funktionsspezifischer Peptide bei der Entwicklung alternativer Therapien für entzündliche Erkrankungen unterstreicht.

Weitere Ergebnisse deuten darauf hin, dass LL-37 und IG-19 die durch Interleukin-32 (IL-32) vermittelte Entzündung abschwächen, ein Zytokin, das eng mit der Schwere der rheumatoiden Arthritis (RA) verbunden ist. In-vitro-Studien an menschlichen mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) zeigten, dass diese Peptide die Produktion entzündungsfördernder Zytokine wie TNF-α und IL-1β deutlich unterdrücken und gleichzeitig die Sekretion des entzündungshemmenden Zytokins IL-1RA steigern. Mechanistisch konnte gezeigt werden, dass LL-37 und IG-19 durch Src-Kinase vermittelte Signalwege modulieren und die duale Phosphatase MKP-1 aktivieren, die als negativer Entzündungsregulator bekannt ist. Diese Erkenntnisse bilden eine solide Grundlage für die Entwicklung gezielter peptidbasierter Therapien, die Entzündungen wirksam regulieren könnten, ohne die natürliche Immunabwehr zu beeinträchtigen, die bei der Behandlung von Autoimmunerkrankungen wie RA von entscheidender Bedeutung ist.

Forschungsergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass der Toll-like-Rezeptor 3 (TLR3) durch die Aktivierung von Synovialfibroblasten (FLS), insbesondere wenn er durch T-Zellen stimuliert wird, eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung und Verschlimmerung von rheumatoider Arthritis (RA) spielt. Eine erhöhte Expression von TLR3 führt zu einer erhöhten Produktion entzündungsfördernder Zytokine wie IL-6 und IFN-β sowie von Matrixmetalloproteinasen und fördert dadurch Entzündungen und Gelenkgewebeschäden. Die Aktivierung von TLR3 durch Poly(I:C) verschlimmerte synergistisch die Arthritis bei Ratten, während die Blockade zu einer Verringerung entzündlicher Manifestationen führte. LL-37, ein Wirtsabwehrpeptid, das sowohl entzündungsfördernde als auch entzündungshemmende Wirkungen haben kann, bindet an andere Toll-like-Rezeptoren wie TLR4 und hat gezeigt, dass es in der Lage ist, Entzündungsreaktionen in Makrophagen selektiv zu unterdrücken. In experimentellen Studien reduzierte es die Produktion von TNF-α und NO in polarisierten Makrophagen, ohne deren phagozytische oder antimikrobielle Aktivität zu beeinträchtigen. Dies deutet darauf hin, dass LL-37 therapeutisches Potenzial bei Arthritis haben könnte, insbesondere in Bezug auf seine Fähigkeit, Entzündungsreaktionen zu bekämpfen, ohne wichtige Immunzellfunktionen zu beeinträchtigen, obwohl seine spezifische Wirkung im Zusammenhang mit TLR3 noch unzureichend erforscht ist.

5. LL-37 Forschung im Kontext von Koloteralkrebs

Studien zu den Wirkungen von LL-37 im Zusammenhang mit Krebs haben zu gemischten Ergebnissen geführt – während LL-37 bei einigen Tumorarten, wie Lungen-, Brust- oder Prostatakrebs, das Tumorwachstum fördert, zeigt es bei anderen, wie Darmkrebs, Magenkrebs, hämatologischen Malignomen oder oralen Plattenepithelkarzinomen, krebshemmende Wirkungen. Diese unterschiedlichen Reaktionen sind wahrscheinlich auf die Aktivierung verschiedener Membranrezeptoren auf der Oberfläche von Krebszellen zurückzuführen, die gewebespezifische Reaktionen vermitteln. Von besonderem Interesse ist die Beziehung zwischen LL-37 und Vitamin D, das seine Expression induziert und dadurch die Antitumoraktivität von Tumor-assoziierten Makrophagen (TAM) verstärkt, einschließlich einer erhöhten antikörperabhängigen Zytotoxizität (ADCC). Dieser Mechanismus könnte die positive Wirkung von Vitamin D auf die Verringerung des Risikos von Magen-Darm-Krebs erklären und legt nahe, dass LL-37 eine wichtige Schutzfunktion bei Darm- und Magenkrebs spielen könnte.

6. LL-37 in Angiogenese

Das Peptid LL-37 spielt eine wichtige Rolle bei der Förderung des Blutgefäßwachstums (Angiogenese). Untersuchungen haben gezeigt, dass LL-37 die Synthese von Prostaglandin E2 (PGE2) in Endothelzellen über den cPLA2→COX-1→PGE2-Weg stimuliert, was zur Aktivierung des EP3-Rezeptors und anschließender Angiogenese führt. Diese Synthese ist dosisabhängig und erreicht etwa 4 Stunden nach der Verabreichung von LL-37 ihren Höhepunkt. Im Gegensatz zu anderen Entzündungsmechanismen ist an diesem Prozess in erster Linie die Cyclooxygenase COX-1 und nicht COX-2 beteiligt, was durch ihre Empfindlichkeit gegenüber Aspirin-Hemmung bestätigt wird. Dieser Weg stellt ein zweischneidiges Schwert dar – er fördert die Wundheilung und Geweberegeneration, kann aber auch das pathologische Blutgefäßwachstum, beispielsweise bei Tumoren, fördern. Daher scheint die LL-37/COX-1/PGE2/EP3-Achse ein potenzielles Ziel für therapeutische Interventionen bei Krankheiten zu sein, die mit übermäßiger oder unzureichender Angiogenese einhergehen.

Referenzen

Testergebnisse von Drittanbietern