Open Access

Peter Lüdike

• Während zerebraler Ischämie und Reperfusion (I/R) kommt es zur Bildung von reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), von welchen ausgegangen wird, dass sie zum neuronalen Schaden beitragen. NADPH Oxidasen produzieren ROS. Wir untersuchten daher, ob und in welchem Maße NADPH Oxidasen am Gewebeschaden und insbesondere an der Schädigung der Blut-Hirn-Schranke (BHS) nach experimenteller I/R beteiligt sind. Hierfür induzierten wir an Wildtyp und NADPH Oxidase (gp91phox-/-) Knockout Mäusen in An-und Abwesenheit pharmakologischer Inhibitoren eine transiente zerebrale Ischämie mittels Fadenverschlusses der Arteria cerebri media (MCAO) für 120 Minuten mit anschließender Reperfusion. Das Infarktvolumen nach 24 Stunden war bei den Tieren mit fehlender funktioneller NADPH Oxidase (gp91phox-/-) bzw. (p47phox-/-) deutlich kleiner als in der Gruppe der Wildtyp Mäuse (TTC Färbung). I/R erhöhte bei den Wildtyp Mäusen im Vergleich zur kontralateralen Hemisphäre die BHS Permeabilität für Evans Blue innerhalb der ersten Stunde nach Ischämie signifikant. Apocynin, ein NADPH Oxidase Inhibitor schwächte diesen Effekt dosisabhängig signifikant ab. In der Gruppe der gp91phox Knockout-Tieren war dieser protektive Effekt auf die BHS Permeabilität noch ausgeprägter. In Schweinehirnendothelzellen (PBEC) induzierten wir durch I/R eine Translokation des NADPH Oxidase Aktivators Rac-1 an die Membran.Die deutliche Reduktion des BHS Schadens nach Hemmung von Rac-1 durch Clostridium difficile lethal Toxin B ( TcdB) und Atorvastatin weist darauf hin, dass dies die Folge der Inhibition der NADPH Oxidase Aktivierung war. Die Stimulation von PBEC mit H2O2 steigerte die Permeabilität, was durch die Inhibition der Phosphatidyl-Inositol-3-Kinase oder c-Jun N-terminale Kinase abgeschwächt werden konnte. Die Inhibition der Extracellular-regulated Kinase 1/2 oder p38 mitogen-activated-protein Kinase hatte dagegen keinen Effekt. Jedoch konnte die Inhibition von Rho eine ROS induzierte Steigerung der Permeabilität sowie eine ROS induzierte Polymerisation des Zytoskelett vollkommen unterbinden. Die Ergebnisse dieser Studie belegen, dass die Aktivierung der NADPH Oxidase ein zentraler Bestandteil der Pathophysiologie des ischämischen Infarktes ist und liefern darüber hinaus eine Erklärung für die positiven Effekte der Statintherapie beim Schlaganfall des Menschen. Die direkte Hemmung der NADPH Oxidase stellt ein vielversprechendes Prinzip in der Akuttherapie des ischämischen Infarktes dar.
• Cerebral ischemia/reperfusion is associated with reactive oxygen species (ROS) generation, and NADPH oxidases are important sources of ROS. We hypothesized that NADPH oxidases mediate blood-brain-barrier (BBB) disruption and contribute to tissue damage in ischemia/reperfusion. Ischemia was induced by filament occlusion of the middle cerebral artery in mice for 2 hours followed by reperfusion. BBB permeability was measured by Evans blue extravasation. Monolayer permeability was determined from transendothelial electrical resistance of cultured porcine brain capillary endothelial cells. BBB permeability was increased in the ischemic hemisphere 1 hour after reperfusion. In NADPH oxidase- knockout (gp91phox-/-) mice, middle cerebral artery occlusion-induced BBB disruption and lesion volume were largely attenuated compared with those in wild type mice. Also in p47phox-/- mice we observed a large reduction of the infarct lesion volume. Inhibition of NADPH oxidase by apocynin prevented BBB damage. In porcine brain capillary endothelial cells, hypoxia/reoxygenation induced translocation of the NADPH oxidase activator Rac-1 to the membrane. In vivo inhibition of Rac-1 by the 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase inhibitor atorvastatin or Clostridium difficile lethal toxin B also prevented the ischemia/reperfusion-induced BBB disruption. Stimulation of porcine brain capillary endothelial cells with H2O2 increased permeability, an effect attenuated by inhibition of phosphatidyl inositol 3-kinase or c-Jun N-terminal kinase but not blockade of the extracellular signal-regulated kinase-1/2 or p38 mitogen-activated protein kinase. Inhibition of Rho kinase completely prevented the ROS-induced increase in permeability and the ROS induced polymerization of the actin cytoskeleton. Activation of Rac and subsequently of the gp91phox containing NADPH oxidase promotes cerebral ROS formation, which then leads to Rho kinase-mediated endothelial cell contraction and disruption of the BBB. Inhibition of NADPH oxidase is a promising approach to reduce brain injury after stroke.