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Bewegung und sportliche Aktivität fördern die Gesundheit des Organismus und senken das Risiko chronischer Krankheiten. Sie bewirken dabei eine Vielzahl von physiologischen und biochemischen Veränderungen in der Skelettmuskulatur, insbesondere Muskelfasertyp-Transformation, Änderungen des Muskelmetabolismus und der Angiogenese. Unter basalen Bedingungen spielen reactive oxygen species (ROS) eine essentielle Rolle für die normale Muskelfunktion. Die Sport-induzierte Produktion von ROS erweist sich als wichtige physiologische Funktion für die Regulierung der Muskelkraft und der Anpassungsreaktion der Muskelfasern auf das Training. Eine der wichtigsten Quellen von ROS im kardiovaskulären System sowie in der Skelettmuskulatur ist die Familie der NADPH-Oxidasen (Nox). Im Unterschied zu anderen NADPHOxidasen ist Nox4 konstitutiv aktiv und produziert Wasserstoffperoxid (H2O2), welches in diversen zellulären Signalkaskaden involviert ist. Gleichzeitig gibt es zahlreiche Hinweise, dass Nox4 über die ROS-Produktion an Sport-induzierten Anpassungsprozessen in Skelettmuskeln beteiligt ist. Vor diesem Hintergrund wurde die Hypothese aufgestellt, dass Nox4 die Sport-induzierte Transformation von langsam- zu schnellkontrahierenden Muskelfasern, die Änderungen des Muskelstoffwechsels sowie die Sport-induzierte und die retinale Angiogenese beeinflusst. Die Untersuchung der Sportinduzierten Fasertyptransformation zeigte, dass die relative Zusammensetzung der Muskelfasern in Nox4-Knockout- und Wildtyp-Mäusen sehr ähnlich und somit von Nox4 unabhängig war. Obwohl das Training die Expression von PGC1α und GLUT4 sowie die AMPK-Aktivierung steigerte, hatte Nox4 nur eine geringe, nicht konstitutive Auswirkung auf den Muskelmetabolismus. Außerdem zeigte die vorliegende Studie, dass Nox4 die Sport-induzierte Angiogenese fördert. Nox4 führte zu einer erhöhten Stretch- und Hypoxie-induzierten Expression von VEGF in Myoblasten, die aus C2C12-Zellen und Satellitenzellen differenziert wurden. Als Folge des Nox4-Knockouts wurde nicht nur eine Reduktion der VEGF-Expression, sondern auch eine Steigerung der Expression von Angiopoietin 1 (Ang1) nachgewiesen, welches die Sport-induzierte Angiogenese hemmte. Das Fehlen von Nox4 schützte außerdem vor der retinalen Neoangiogenese und trug zu einer schnelleren Heilung nach der Oxygen-inducedretinopathy (OIR) bei, indem das Netzwerk neuer Gefäße mittels Ang1 stabilisiert wurde. Somit führt Nox4 zur Sport- und Hypoxie-induzierten Angiogenese durch einen Doppelmechanismus der Induktion und Aufrechterhaltung der VEGF Expression und der Hemmung von Ang1.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Proteoglykans Biglycan und seiner Funktion als Signalmolekül in inflammatorischen und autoimmunen Prozessen. Die biologische Bedeutung der in vitro gewonnenen Ergebnisse in primären Makrophagen und dendritischen Zellen wurde durch in vivo Modelle der Pathogenvermittelten-und nicht-Pathogen-vermittelten Inflammation und der Autoimmun-Erkrankung Lupus Nephritis bestätigt. In primären Makrophagen und dendritischen Zellen induziert Biglycan die Produktion proinflammatorischer Zytokine und Chemokine durch Interaktion mit Toll-like Rezeptor (TLR) 2 und 4. Mit nucleotide-binding oligomerization like Rezeptorprotein3 (NLRP3)-,apoptosisassociated speck-like protein containing a CARD (ASC)- , Caspase-1- und TLR2/4- defizienten Mäusen und verschiedenen pharmakologischen Inhibitoren war es möglich in primären murinen peritonealen und Knochenmark-Makrophagen nachzuweisen, dass Biglycan die Caspase-1 NLRP3/ASC-abhängig aktivierte und damit die Prozessierung der Proform und Sekretion von reifem IL-1β induzierte. Durch Bindung an TLR2/TLR4 aktivierte Biglycan die NFκB, Erk und p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) Signalwege und stimulierte die Expression von Interleukin-1 beta (IL-1β). Biglycan aktivierte zudem den P2X7 Rezeptor (P2X7R) in Makrophagen und ist somit in der Lage auch ohne zusätzliche Ko-Stimulation, beispielsweise durch ATP, das NLRP3 Inflammasom zu stimulieren und die Prozessierung von aktivem IL-1β anzuregen. In einem Pathogenvermittelten (Lipopolysaccharid (LPS)-induzierte Sepsis) wie auch –nicht-athogenvermittelten (unilaterale Uretherobstruktion, UUO) Mausmodell der Inflammation wurde die biologische Relevanz dieser Prozesses gezeigt. Die Defizienz von Biglycan ging in diesen Modellen mit verminderter Aktivierung des NLRP3/Caspase-1 Inflammasomes, geringeren Spiegeln von reifem IL-1β und geringerer Organschädigung einher. Nachdem aufgezeigt werden konnte, dass die Biglycan-Konzentrationen in Nierenbiopsien und im Plasma von Patienten mit Lupus Nephritis stark erhöht waren, wurde seine Relevanz in Immunitätsreaktionen einschließlich autoinflammatorischen Prozessen genauer untersucht. Die Effekte von Biglycan in verschiedenen Stadien der Erkrankung wurden mit der MRL-Faslpr (kurz MRL/lpr) Maus, einem etablierten Modell der Lupus Nephritis (LN) und einem dafür generierten Modell der Defizienz (Bgn-/- MRL/lpr) und Überexpression von Biglycan (hBGN MRL/lpr) analysiert. In den verschiedenen Stadien der LN nahm die Konzentration von zirkulierendem und renalem Biglycan in MRL/lpr Mäusen zu und korrelierte gleichermaßen mit dem Fortschreiten der Erkrankung. Die Defizienz von Biglycan verminderte hingegen stark die renale Infiltration von Entzündungszellen, insbesondere B1-Zellen, außerdem die Zytokin-, Chemokin- und Immunglobulin-Konzentrationen und minderte die Progredienz der Niereninsuffizienz verglichen mit Lupus Mäusen gleichen Alters. In der Initialphase der Lupus Nephritis induzierte Biglycan in Mäusen, transient transgen für humanes Biglycan (hBGN MRL/lpr), vermehrte renale Zellinfiltration und Albuminurie als Zeichen nephrotischer Dysfunktion. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Produktion des stark proinflammatorischen Zytokines IL-1β in jungen Lupus Nephritis Mäusen NLRP3/Caspase-1-abhängig ist und durch Biglycan verstärkt wurde. Die Mechanismen, durch die endogenes Biglycan die Leukozyteninfiltration in Lupus Mäusen induzierte und somit inflammatorische und autoimmune Vorgänge potenzierte, wurden insbesondere an B-Zellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Biglycan die renale Migration von einem besonderen B-Zell Subtyp, B1-Zellen, verantwortlich für die T-Zellenunabhängige Autoimmunglobulinproduktion beim LN, unterhielt. Dabei vermittelte Biglycan die Rekrutierung von B1-Zellen in die Niere durch Regulation der Expression und Synthese der B-Zell C-X-C Chemokin Ligand 13 (CXCL13) in der Niere und in residenten peritonealen Makrophagen. In vitro konnte zudem der Mechanismus aufgeklärt werden, über den Biglycan CXCL13 reguliert. In primären Makrophagen und dendritischen Zellen induziert Biglycan die Expression und Sekretion von CXCL13 über TLR2 und TLR4. Die Daten zeigen auf, dass Biglycan als endogenes Gefahrensignal starke proinflammatorische Reaktionen hervorruft. Über Rezeptoren des angeborenen Immunsystems, TLR2 und TLR4, aktiviert Biglycan des weiteren Zellen des adaptiven Immunsystems und inuziert die Rekrutierung weiterer Lymphozyten. Demnach kann postuliert werden, dass Biglycan als Brückenmolekül das anegborene und adaptive Immunsystem verbindet, und somit ein potenzielles neues „drug target“ in autoinflammatorischen, wie auch autoimmunen Vorgängen darstellt.
The role of small leucine-rich proteoglycans, biglycan and decorin, in podocytopathy and albuminuria
(2011)
Biglycan is a member of the small leucine-rich proteoglycan (SLRP) family and is involved in the assembly of extracellular matrix components. In macrophages soluble biglycan acts as an endogenous ligand of the innate immunity receptors TLR2 and TLR4. Data addressing the role of biglycan in renal pathology are surprisingly limited. In a normal kidney, biglycan is expressed mainly in the tubulointerstitium; however, in the course of various renal diseases its expression may be altered. The biological role and mechanisms of biglycan action in the pathology of renal diseases, especially those affecting glomeruli, remain poorly understood.
Albuminuria is the first detectable clinical abnormality in diabetic nephropathy. In this study we detected increased biglycan mRNA expression in glomeruli of renal biopsies of patients with incipient diabetic nephropathy, with predominant localization in podocytes. This novel finding raised the question about the role and mechanisms of biglycan action in diabetic podocyte injury and whether the mechanisms of biglycan signaling causing podocyte injury and albuminuria could be extrapolated to other glomerular diseases.
To investigate the role of biglycan in the cause of diabetic podocyte injury and albuminuria we used the murine model of STZ-induced diabetic nephropathy and wild type (Bgn+/0) and biglycan deficient (Bgn-/0) mice. We observed that biglycan was expressed on mRNA and protein levels in podocytes of diabetic Bgn+/0 mice and that diabetic Bgn+/0 mice also had significantly higher albuminuria compared to non-diabetic mice 6 and 12 weeks after disease induction. Biglycan deficiency was shown to be an important factor in albuminuria development. Namely, we observed that diabetic Bgn-/0 mice had significantly lower levels of urinary albumin compared to diabetic Bgn+/0 mice. We showed that less severe podocyte loss in the urine of diabetic Bgn-/0 mice was associated with significantly higher nephrin and podocin glomerular expression compared to diabetic Bgn+/0 mice. Our data suggested that biglycan deficiency was protective against podocyte loss into urine and might be beneficial against development of albuminuria in diabetes.
Biglycan contributed to podocyte actin rearrangement due to increased phosphorylation of Rac1 in vitro. Furthermore, biglycan induced caspase-3 activity and production of reactive oxygen species (ROS), thus enhancing apoptosis in cultured podocytes. Biglycan-induced ROS generation was TLR2/TLR4-dependent. Overexpression of soluble biglycan in wild type mice induced albuminuria under normal conditions and significantly increased albuminuria under pathological conditions (murine model of LPS-induced albuminuria). Inhibition of Rac1 activity in vivo decreased the albuminuria induced by biglycan overexpression. In patients with glomerular diseases, biglycan was detected in urine and was associated with nephrin appearance in the urine of these patients and with increased albuminuria. Collectively, our results elucidate a novel mechanism for biglycan-induced TLR2- and TLR4-dependent, Rac1- and ROS-mediated podocytopathy leading to podocyturia, albuminuria development and progression of glomerular diseases. Interfering with biglycan actions and blocking its signaling via TLR2 and TLR4 might be a potential therapeutic strategy against these diseases. To achieve this goal, the specific mechanisms for binding of biglycan to TLR2 and TLR4 must be elucidated and effective ways of preventing this binding must be developed. Nevertheless, biglycan remains the “danger signal” that activates innate immune receptors in non-immune cells and triggers the deleterious mechanisms leading to aggravation of renal injury.
The small leucine-rich proteoglycan biglycan (Bgn) is a part of the extracellular matrix providing structure and enhancing fibril stability. In its soluble form, biglycan is able to bind and signal via the innate immune receptors Toll-like receptor (TLR) 2 and 4, thereby activating MAP-kinases and the NF-κB pathway. In macrophages soluble biglycan induces the secretion of several cytokines and chemokines, including TNF-α, CCL2, CXCL5 and CXCL13. A unique feature of biglycan is its ability to stimulate the secretion of mature IL-1β. By orchestrating TLR2 and 4 with the purinergic P2X4 and P2X7 receptor signalling biglycan triggers the activation of the NLRP3/ASC inflammasome, which in turn activates caspase-1 to cleave pro-IL-1β to mature IL-1β. Furthermore, in several inflammatory diseases an upregulated biglycan expression is found. Enhanced levels of biglycan could be measured in plasma and inflamed tissue. In mouse models of sepsis, lupus nephritis and renal ischemic reperfusion injury, biglycan-deficiency improved the disease outcome. Overexpression of soluble biglycan on the other hand increased immune cell infiltration into the kidney by inducing cytokine and chemokine expression in a TLR2/4-dependent manner. These studies emphasise its importance in inflammatory processes, especially in the kidney. Furthermore, the pro-inflammatory effects on macrophages and diseases established biglycan as a danger signalling molecule, yet its role as a soluble molecule in plasma was not further investigated.
Although an increase of soluble biglycan in the circulation could be seen in several inflammatory diseases, the source is not fully unravelled. Previously it could be shown that macrophages and dendritic cells secrete soluble biglycan after stimulation with IL-6 and TGF-β1. However, since these cell are resident in organs and do not circulate in the blood stream their contribution to soluble biglycan levels in plasma is likely minor. Therefore, monocytes as precursor of both macrophages and dendritic cells were investigated as a possible source of circulating biglycan. Analysis of blood from septic patients revealed elevated soluble biglycan levels as well as an increased number of monocytes. Isolated monocytes from healthy volunteers incubated with the inflammatory cytokines IL-1β, IL-6 and TGF-β1 displayed increased biglycan mRNA expression and secretion of soluble biglycan into the supernatant, revealing monocytes as a producer of soluble biglycan in blood. Therefore this work was directed to further investigate the influence of soluble biglycan on circulating monocytes, with regard to sepsis.
Monocytes can be classified into three subtypes, while the classical monocytes express CD14 (CD14++CD16low), intermediate monocytes express both CD14 and CD16 (CD14++CD16+) and non-classical monocytes express mainly CD16 (CD14lowCD16++). The intermediate and non-classical monocytes make up about 10 % of all monocytes and are referred to as CD16-positive subtypes. The CD16-positive monocytes express higher levels of TNF-α and IL-1β upon stimulation and display different migration behaviour. In most inflammatory diseases an expansion of CD16-positive monocytes is observed, especially an increased number of intermediate monocytes frequently correlate with disease severity and mortality. Since septic patients had increased circulating biglycan levels and augmented CD16-positive monocytes, a possible correlation between these two parameters was investigated. Using FACS analysis of biglycan-stimulated monocytes from healthy donors revealed a significant shift from classical to intermediate and non-classical monocytes. This shift was mediated by increased expression of CD14 and CD16 on mRNA and protein levels upon biglycan treatment. Furthermore, biglycan induced the mRNA expression of the adhesion molecules ICAM-1, VCAM-1 and ELAM-1 in CD14-positive monocytes. Four hours after biglycan stimulation an increased ICAM-1 protein expression on the cell surface of classical and intermediate monocytes was observed. Additionally, biglycan-treated CD14-positive monocytes rolled and attached to pre-stimulated endothelial cells to a greater extent compared to untreated monocytes. This demonstrates that biglycan not only triggers the expression of CD14 and CD16 but also induces a functional shift of monocytes. ...
Decorin, a small leucine rich proteoglycan (SLRP) of the extracellular matrix (ECM) is a biologically active molecule with signaling capabilities modulating diverse cellular functions 1. In this report, we explore the role of the matrix proteoglycan decorin in the regulation of inflammation and apoptosis and the resultant biological significance in cancer and diabetic nephropathy. The mechanisms linking immunity and inflammation with tumor development are not well defined. Here we report a novel finding that the soluble form of decorin could autonomously trigger the synthesis of TNFα and IL-12 in macrophages through TLR2 and TLR4 in a p44/42- and p38-dependent manner. In the presence of LPS, decorin enhanced the effects of LPS by signaling additionally via TLR2. Further, decorin could enhance PDCD4 protein expression with subsequent inhibition of LPS-mediated IL-10 protein synthesis by two mechanisms: i) by TLR2/TLR4-dependent stimulation of PDCD4 synthesis and ii) by inhibition of the TGFβ1-induced increase of miR-21, a posttranscriptional suppressor of PDCD4 protein synthesis. Enhanced PDCD4, a translational inhibitor of IL-10, downregulated this anti-inflammatory cytokine, thereby further driving the cytokine profile towards a proinflammatory phenotype.
Importantly, these mechanisms appear to operate in a broad biological context linking pathogen-mediated with sterile inflammation as shown here for sepsis and growth retardation of established tumor xenografts. In sepsis, decorin is an early response gene evoked by inflammation and is markedly elevated in plasma of septic human patients and in plasma and tissues of septic mice. Our findings suggested that in vivo decorin alone mimics the effects of LPS by enhancing the plasma and tissue levels of pro-inflammatory TNFα, IL-12 and PDCD4 but when administered together with LPS, it potentiated the proinflammatory response of this PAMP by inhibiting active TGFβ1, miR-21 and hence the LPS mediated IL-10 production. In vivo, overexpression of decorin in tumor xenografts resulted in decorin/TLR2/4-driven synthesis of PDCD4, TNFα, IL-12 and decorin/TGFβ1/miR-21-mediated inhibition of PDCD4 suppression shifting the immune response to a pro-apoptotic and proinflammatory axis with strong anti-tumorigenic effects resulting in increased apoptosis and growth retardation of solid tumor. Thus, decorin signaling boosts inflammatory activity in sepsis and tumor. In contrast to the proinflammatory and proapoptotic role of decorin in tumor, decorin deficiency in diabetic kidneys led to enhanced apoptosis and increased mononuclear cell infiltration indicating that decorin might give rise to distinct biological outcomes depending on the cell type and biological context. Accordingly, in this study, we used a model of streptozotocin-induced diabetes type 1 in wild-type (Dcn+/+) and decorin-deficient- (Dcn-/-) mice to further elucidate the role of decorin in diabetic nephropathy. In this model, decorin was overexpressed in the mesangial matrix of the glomerulus and in the tubulointerstitium both at the mRNA and protein level in early stages of diabetic nephropathy which declined as the disease further progressed supporting the concept that decorin might act as a part of a natural response to hyperglycemia and to damage caused there from. These observations correlate with the data obtained in renal biopsies from patients at various stages of diabetic nephropathy 15, suggesting clinical relevance of our findings for the human disease. In the diabetic kidney, decorin deficiency was associated with: i) glomerular and tubular overexpression of p27Kip1 and enhanced proteinuria, ii) enhanced expression of TGFβ1 and CTGF resulting in increased accumulation of ECM, iii) overexpression of biglycan and elevated infiltration of mononuclear cells, iv) enhanced apoptosis of tubular epithelial cells despite overexpression of tubular IGF-IR. We further discovered that decorin binds to the IGF-IR in tubular epithelial cells and conveys protection against high glucose-mediated apoptosis providing evidence for a protective role of decorin during diabetic nephropathy development.
Thus, future therapeutic approaches that would either enhance the endogenous production of decorin or deliver exogenous decorin to the diseased solid tumors and/or diabetic kidney might improve the prognosis of these chronic diseases.
The ubiquitin-related SUMO system represents a versatile post-translational modification pathway controlling a variety of cellular signalling networks. In mammalian cells, lysine residues of target proteins can be covalently modified with three SUMO isoforms (SUMO1, SUMO2 and SUMO3) resulting in conjugation of either single SUMO moieties or formation of poly-SUMO chains. Importantly, SUMO modification is a reversible process, where the deconjugation of SUMO from its substrates is mediated by SUMO proteases. In humans, the best-characterized subfamily is the SENP family of SUMO-specific isopeptidases comprised of SENP1-3 and SENP5-7. For undisturbed cellular signalling events, a proper balance of SUMO conjugation and deconjugation is crucial. SENPs fulfil the important function of counteracting SUMOylation. A key question is how the relatively low number of SENPs specifically controls the SUMOylation status of hundreds of cellular proteins.
The aim of this thesis was to uncover the regulation and substrate specificity of distinct SUMO isopeptidases in order to better understand their role in cellular signalling pathways.
In the first part of this work, we investigated the influence of hypoxia on SUMO signalling, in particular on the activity of SENPs. Importantly, we found that the catalytic activity of distinct SENPs (especially SENP1 and SENP3) is strongly but reversibly diminished under low oxygen. As a consequence, the SUMO modification of a specific subset of proteins is changed under hypoxia. We specifically identified proteins being hyperSUMOylated after 24 hours of hypoxia by SUMO1 immunoprecipitation followed by mass spectrometry. We further validated the transcriptional co-repressor BHLHE40 as hypoxic SUMO target and confirmed SENP1 as responsible isopeptidase for deconjugation of SUMOylated BHLHE40. We provide evidence that SUMO conjugation to BHLHE40 enhances its repressive functions on the expression of the metabolic master regulator PGC-1α. Therefore we propose a model where inactivation of SENP1 under hypoxia results in SUMOylated BHLHE40, possibly contributing to metabolic reprogramming under hypoxia.
To get insight into substrate selectivity of SENP family members, in particular SENP3 and SENP6, we choose a proteomic profiling strategy. For the identification of specific SUMO substrates controlled by SENP3, we applied a large-scale IP-MS approach in SENP3 KO and WT cells. The most strongly induced SUMO targets in the absence of SENP3 were key regulators of ribosome maturation. We identified factors involved in the remodelling of both 90S and 60S pre-ribosomes. SENP3 has already been described as being critically involved in maturation of the pre-60S subunit and 28S rRNA processing. Previously described SENP3-regulated master targets in this process are the ribosome maturation factors PELP1 and Las1L. Importantly, both were also identified as the most significantly regulated SENP3 targets in our unbiased proteomic approach. Importantly, however, enhanced SUMOylation was also detected on 90S-associated regulators, such as BMS1. Altogether, these data strengthen the functional link between SENP3 and ribosome biogenesis and point to a role of SENP3 beyond 60S maturation.
In addition to SENP3, we explored the substrate specificity of SENP6, which mainly acts on polymeric SUMO2/3 chains. Applying a proteomic profiling strategy, we were able to identify SENP6-controlled SUMO networks functioning in DNA damage response as well as chromatin organization. We demonstrated that SENP6 reverses polySUMOylation of several subunits of the cohesin complex, thereby regulating the SUMOylation status and chromatin association of this complex. Furthermore, we found a tight interaction of SENP6 with the hPSO4/PRP19 complex, involved in DNA damage response by activation of the ATR-CHK1 signalling cascade. In cells depleted of SENP6, we observe deficient recruitment of the co-activator ATRIP to chromatin which results in diminished CHK1 activation. We therefore illustrate a general role of SENP6 in the control of chromatin-associated protein networks involved in genome integrity and chromatin organization.
Diabetes mellitus Typ 2 (T2D) ist eine der häufigsten Stoffwechselerkrankungen mit weltweit steigender Inzidenz. Zur Vermeidung von Folgeerkrankungen und Senkung des enormen ökonomischen Drucks steht die Suche nach wirksamen Therapiekonzepten im Fokus aktueller Forschung.
Die Vitamin D (VD) Konzentration (25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3) hat Einfluss auf Bodymaßindex (BMI), Glukosestoffwechsel, Insulinsekretion und -resistenz sowie die β-Zellfunktion. Niedrige VD Konzentrationen wirken sich ungünstig auf den Blutzucker oder den BMI aus und ein VD Mangel (25(OH)D3 < 20 ng/ml) ist mit einem erhöhten Risiko für Diabetes mellitus Typ 2 assoziiert. Während eine VD Einnahme das Risiko für einen VD Mangel reduziert, zeigen sich kaum Einflüsse auf die Glucosehomöostase. Die berichteten Effekte einer VD Einnahme in der Prävention oder Behandlung eines T2D rangieren von einer verbesserten Stoffwechseleinstellung bis zur Verschlechterung der Erkrankung.
Bezüglich des Ansprechens auf eine VD Einnahme zeigt sich eine große individuelle Varianz. In welchem Ausmaß der genetische Hintergrund das individuelle Ansprechen auf eine VD Einnahme bei Patienten mit T2D beeinflusst wurde bislang jedoch kaum erforscht.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss genetischer Varianten (SNPs - Single nucleotide polymorphisms) des VD Stoffwechsels auf (1) Anfälligkeit für T2D, (2) 25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3 Plasma Konzentrationen sowie (3) Änderungen in der Stoffwechseleinstellung nicht insulinabhängiger Typ 2 Diabetiker unter VD3 Substitution untersucht. Dafür wurden zwölf SNPs in fünf Genen des VD Stoffwechsels (CYP2R1 (Cytochrom P450 2R1), CYP27B1, DBP (VD Bindeprotein), VDR (VD Rezeptor), CYP24A1 analysiert. 553 Patienten mit T2D und 916 gesunde Kontrollen aus Frankfurt am Main und Umgebung wurden mittels restriction fragment length polymorphism (RFLP) und realtime polymerase chain reaction (rtPCR) genotypisiert. Die VD Plasma-Konzentrationen (25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3) wurden per 125Iod-Radioimmunoassay gemessen.
Ein erhöhtes Risiko an Diabetes mellitus Typ 2 zu erkranken ergab sich für die Allele VDR rs7975232 „G“, rs1544410 „G“ und CYP2R1 rs10741657 „A“.
Diabetiker wiesen im Vergleich zu gesunden Kontrollen erniedrigte 25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3 auf. Das Risiko eines T2D bei Vorliegen eines VD Mangels war in unserer Kohorte um das 13,9 fache erhöht.
Eine genotypenabhängige Reduktion der 25(OH)D3 Plasma-Konzentrationen bei Patienten ergab sich für die Genotypen CYP27B1 rs10877012 „CC“, DBP rs4588 „CC“, rs7041 „GG“, CYP24A1 rs2585426 „CG“ und rs2248137 „CG“. Eine verringerte 1,25(OH)2D3 Plasma-Konzentration ergab sich für den Genotyp DBP rs4588 „CC“.
Der genetisch Einfluss auf Änderungen in der Stoffwechseleinstellung nicht insulinabhängiger Typ 2 Diabetiker unter VD3 Substitution wurde im Rahmen einer doppelt-verblindeten randomisierten Studie untersucht. 65 Patienten erhielten über 6 Monate entweder 1904 IU Vitamin D Öl (25(OH)D3) oder ein Placebo-Öl. Alle drei Monate wurden die Vitamin D Konzentrationen, der HbA1c, die Parathormonkonzentration (PTH) und das C-Peptid bis zu einem 6 monatigen Follow-up bestimmt.
Während bei Trägern des Genotyps CPY24A1 rs2296241 „GG“ trotz VD Einnahme keine Änderung der Plasma 25(OH)D3 Werte zu verzeichnen waren, ergaben sich für die Genotypen DBP 4588 „CC“ and VDR rs1544410 „GG“ höhere 25(OH)D3 Konzentrationen bis zum Ende des Nachbeobachtungszeitraums. Eine signifikante Suppression des PTH konnte bei den Genotypen CYP2R1 rs10741657 „AG“, DBP rs4588 „CC“, VDR rs2228570 „TC“ und CYP24A1 ra2248137 „GG“ beobachtet werden.
Diese Studie bestätigt VD Mangel als Risikofaktor für T2D. Sie zeigt deutlich, dass genetische Varianten des VD Systems für T2D prädisponieren und anteilig den VD Stoffwechsel regulieren. Auch die Auswirkungen einer VD3 Einnahme, messbar im Anstieg der 25(OH)D3 Konzentration und der Suppression des PTH, sind durch die Gene des VD Systems beeinflusst.
Seit den ersten Berichten über renale CYP-Enzyme, die den arteriellen Tonus beeinflussen können, steht die entscheidende Rolle der CYP-Epoxygenasen in der Modulation der vaskulären Homöostase außer Frage. Die Verbindung zwischen CYP-Expression und kardiovaskulären Erkrankungen ist jedoch noch mit Vorbehalt zu betrachten. Dennoch kann ihre Bedeutung in der Pathogenese der Hypertonie und Atherosklerose nicht länger ignoriert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war der Nachweis, inwieweit endogen-gebildete EET an der Regulation des Agonisteninduzierten Kalziumeinstroms in nicht-erregbaren Endothelzellen beteiligt sind. Da es in kultivierten Endothelzellen im Gegensatz zu nativen Endothelzellen zu einer rapiden Reduktion der CYP 2C-Expression kommt, wurde die Expression von CYP 2C zu einem durch die Verwendung eines adenoviral-vermittelten Überexpressionssystems und zum anderen durch Nifedipin induziert. Zunächst führte die Stimulation mit Bradykinin in kultivierten Endothelzellen, die infolge der Kultivierung das CYP 2C-Protein nicht mehr exprimieren, zu einem Kalziumeinstrom. Dieser Effekt wurde weder von Sulfaphenazol, einem spezifischen CYP 2C9-Hemmer, noch von ACU, einem Hemmer der sEH, beeinflusst. Dahingegen führte die Hemmung der sEH durch ACU in CYP 2C-exprimierenden Endothelzellen zu einem signifikanten Anstieg der Plateauphase des Bradykinininduzierten Kalziumeinstroms. Dieser Effekt konnte sowohl durch Sulfaphenazol als auch durch 14,15-EEZE, einen EET-Antagonisten, aufgehoben werden. Die Kontrollzellen wurden weder von den Substanzen alleine noch in Kombination mit ACU beeinflusst. Die Verwendung von DCU, einem weiteren spezifischen Hemmer der sEH, führte ebenfalls zu einem signifikanten Anstieg der Plateauphase des Bradykinin-induzierten Kalziumeinstroms in CYP 2C-exprimierenden Endothelzellen im Vergleich zu den Kontrollzellen. Die Hypothese der sEH-Hemmer als potente Modulatoren des EET-vermittelten Kalziumeinstroms wurde weiterhin durch den Befund belegt, dass die Inkubation mit dem mEH-Hemmer Elaidamid keinen Einfluss auf die Höhe des Bradykinin-induzierten Kalziumplateaus hatte. Durch die Untersuchungen in An- und Abwesenheit von extrazellulärem Kalzium konnte gezeigt werden, dass endogen-gebildete EET die [Ca2+]i durch Verstärkung des kapazitiven Kalziumeinstroms beeinflussen. Die Aufhebung der Effekte durch den PKA-Hemmer Rp-cAMPs lässt auf eine Rolle der PKA schließen, der Signaltransduktionsweg bleibt zu klären. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse in isolierten endothelintakten Umbilikalvenen belegt die physiologische Relevanz. In der vorliegenden Studie konnte die Bedeutung der EET in der Regulation des kapazitiven Kalziumeinstroms und der sEH-Hemmer als potente Modulatoren der biologischen Aktivität von EET demonstriert werden. Die Eingliederung in den Kontext der vaskulären Homöostase und der Pathogenese von kardiovaskulären Erkrankungen bleibt hochinteressant und zukunftsweisend.
Die vorliegende Arbeit stellt eine auf datenwissenschaftlichen Methoden beruhende Analyse des aktuellen Wissens über mögliche kausale Zusammenhänge zwischen therapeutischen Morphinapplikationen mit Todesfällen dar, welche auf computergestützter Extraktion von Information aus frei verfügbaren Wissensdatenbanken und der Analyse der darin enthaltenen numerischen Information besteht. Die Relevanz der vorliegenden Analyse ergibt sich aus dem weltweit breiten Einsatz von Morphin zur Behandlung starker Schmerzen und der immer wieder vorkommenden Todesfälle während einer Morphintherapie, die regelmäßig zu Gerichtsverfahren mit den verschreibenden Ärzten als Angeklagte führen.
Morphin ist ein Opioid und zählt zu den starken Analgetika der WHO Stufe III. Bei der Applikation von Morphin kann es neben der gewünschten Analgesie auch zur Abflachung der Ventilation bis hin zum fatalen Atemstillstand kommen. In der Literatur wird die Inzidenz von Morphin-assoziierten Todesfällen mit 0,3 bis 4% angegeben. So kommt es in einigen Fällen auch zu strafrechtlichen Ermittlungen und Gerichtsverfahren mit dem Verdacht der vorsätzlichen Tötung oder sogar des Mordes. Die Frage, ob eine Morphinapplikation Ursache für den Tod eines Patienten war, ist nicht einfach zu beantworten, was mit einigen Besonderheiten von Opioid-Analgetika im Allgemeinen und von Morphin im Besonderen zusammenhängt. Für Morphin existieren z.B. keine genau definierten maximalen Dosen. Es wurden bisher lediglich Empfehlungen ausgesprochen, abhängig auch davon, ob ein Patient noch „opioid-naiv“ ist oder bereits Opioide einnimmt und damit ein Gewöhnungseffekt eingetreten ist, welcher neben der Analgesie die Gefahr des Atemstillstandes verringert. Grundsätzlich gilt immer, die Dosis so gering wie möglich und so hoch wie nötig zu halten. Die Dosis wird an die Schmerzintensität adaptiert, wobei nach keine maximal erlaubte Dosis existiert. Besonders bei terminal kranken Patienten ist die Kausalität zwischen therapeutischer Morphinapplikation und dem Tode oft fraglich, und es werden regelmäßig Gutachten eingeholt, die meistens von Rechtsmedizinern, Anästhesisten und klinischen Pharmakologen erstellt werden.
In diesen Gutachten müssen viele Faktoren, die die Wirkungen von Morphin bis hin zum letalen Ausgang beeinflussen können, diskutiert wurden, und die daher Hauptinhalt der vorliegenden Arbeit sind. Dazu gehören die verabreichten Morphindosen und die Konzentrationen von Morphin und seiner Metabolite im Blut, aber auch Charakteristika des Patienten, wie Alter, Vorerkrankungen wie z.B. Leber- oder Niereninsuffizienz, Komedikationen, oder pharmakogenetische Faktoren. Darüber hinaus spielt für die zeitliche Zuordnung einer Morphingabe mit dem Tode die verzögerte Verteilung Morphins an seinen Wirkort (das zentrale Nervensystem) eine wichtige Rolle.
Eine weitere Schwierigkeit, die sich bei Morphin-assoziierten Toden darstellt, ist die oft zur Debatte stehende verabreichte Morphindosis, die nachträglich aus den gemessenen Konzentrationen im Blut des Verstorbenen rekonstruiert werden soll, was oft nicht sicher möglich ist. Die postmortal gemessenen Konzentrationen von Morphin unterliegen relevanten Veränderungen aufgrund postmortaler Flüssigkeitsumverteilung oder des Zerfalls von Morphin, aber auch als Folge von Veränderungen während der Lagerung der Proben.
In unserer Analyse und Auswertung der vorhandenen Literatur zu diesen Themen kamen wir zu dem Ergebnis, dass es gegenwärtig praktisch sehr schwer ist, eine Morphindosis oder -konzentration sicher mit dem Tod eines Patienten in Verbindung zu bringen. Somit bleibt jeder Todesfall individuell und kontext-abhängig und erfordert die Berücksichtigung weiterer Aspekte bei der der strafrechtlichen Aufarbeitung. Zudem kamen wir zu dem Entschluss, dass angesichts dieser bereits seit langen bekannten Problemen mit Morphin und aber auch anderen Opioiden (siehe “opioid crisis” in den USA), die Entwicklung von sichereren stark wirksamen Analgetika als Ersatz für Opioide dringlich ist.