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Die NADPH-Oxidasen stellen eine wichtige Quelle für reaktive Sauerstoffspezies (Reactive oxygen species; ROS) im Organismus dar. Hierbei dienen die NADPH-Oxidasen nicht nur der Pathogenabwehr, sondern haben einen Einfluss auf eine Vielzahl an oxidativen, physiologischen Prozessen. Unter den NADPH-Oxidasen ist NOX4 einzigartig, da es hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum (ER) lokalisiert ist, konstitutiv aktiv ist und Wasserstoffperoxid (H2O2) produziert. Wir vermuten, dass diese besonderen Eigenschaften eine Konsequenz aus der Interaktion mit bislang unentdeckten NOX4-interagiereden Proteinen ist.
Zweidimensionale blau-native Polyacrylamid-Gelelektrophorese (BN-PAGE) kombiniert mit SDS-PAGE zeigte NOX4 in makromolekularen Komplexen. Interagierende Proteine wurden durch eine quantitative SILAC (stable isotope labeling of amino acids in cell culture)-Co-immunopräzipitation (Co-IP) in NOX4-überexprimierenden HEK293-Zellen gescreent. Hierdurch konnten verschiedene interagierende Proteine identifiziert werden, wobei Calnexin die robusteste Interaktion aufwies. Calnexin konnte zudem in NOX4-haltigen Komplexen durch Complexome Profiling der BN-PAGE oder gleichzeitiger Antikörperfärbung nachgewiesen werden. Die Calnexin-NOX4-Interaktion konnte mittels reverser Co-IP und Proximity ligation assay bestätigt werden, während NOX1, NOX2 und NOX5 nicht mit Calnexin interagierten. Calnexin-Defizienz, untersucht in embryonalen Mausfibroblasten oder durch shRNA gegen Calnexin, reduzierte die NOX4-Proteinexpression und ROS-Bildung, wobei die mRNA-Expression unverändert blieb. Des Weiteren wurde untersucht, ob der bekannte Interaktionspartner von NADPH-Oxidasen, p22phox, wirklich essentiell für die Expression oder Aktivität von NOX4 ist, da es nur in manchen der NOX4-Co-IPs nachgewiesen wurde. Um den Einfluss von p22phox für NOX4 aufzuklären wurde ein CRISPR/Cas9 Knockdown in NOX4-überexprimierenden HEK293 Zellen etabliert. p22phox zeigte keinen Einfluss auf die NOX4-Expression, jedoch war die NOX4-abhängige ROS-Produktion in p22phox-Knockout Zellen verschwunden.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass endogenes NOX4 makromolekulare Komplexe mit Calnexin ausbildet, welches für die korrekte Reifung, Prozessierung und Funktion von NOX4 im ER nötig ist. Darüber hinaus ist p22phox nicht für die Reifung von NOX4, aber für dessen Aktivität nötig. Diese Ergebnisse zeigen eine vielfältige Regulation von NOX4 auf Proteinebene.
Das vaskuläre Endothel ist in der Lage vasoaktive Autakoide zu synthetisieren und nach entsprechenden neurohumoralen Stimuli (z.B. Bradykinin oder Acetylcholin) oder aber physikalischen Reizen, (z.B. Schubspannung oder Scherkräften) an die Umgebung abzugeben. Neben gefäßkontrahierenden Substanzen wie dem mitogenen Peptid Endothelin produziert das Endothel vasodilatierende Substanzen, von denen bislang drei identifiziert werden konnten: NO, Prostazyklin und der in seiner chemischen Struktur noch umstrittene EDHF ("endothelium-derived hyperpolarising factor"). Während die Struktur und Wirkungsweise von NO sowie Prostazyklin bereits sehr gut charakterisiert werden konnten, existieren diesbezüglich bei EDHF noch kontroverse Vorstellungen. Cannabinoide, deren hypotensiven und Bradykardie-auslösenden Wirkungen schon längere Zeit bekannt sind, sind potente Hemmstoffe der EDHF-vermittelten Relaxation und Hyperpolarisation. Mit dieser Arbeit sollte der dieser Hemmung zugrunde liegende zelluläre Mechanismus näher untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass delta9-Tetrahydrocannabinol und der Cannabinoidrezeptoragonist HU210 in kultivierten Endothelzellen zu einer vermehrten Phosphorylierung und damit Aktivierung der extrazellulär regulierten Kinasenl/2 (ERKI/2) führen. delta9-Tetrahydrocannabinol bewirkt daneben auch eine Phosphorylierung des gap junction Proteins Connexin 43 und unterbindet somit die Zell-zu-Zell-Kommunikation via gap junctions. Die Phosphorylierung von Connexin 43 war empfindlich gegenüber PD98059 und U0126, zwei Hemmstoffen der ERK1/2-Aktivierung. Die Hemmung der EDHF-vermittelten Hyperpolarisation und Relaxation vorkontrahierter Schweinekoronararterien durch delta9-Tetrahydrocannabinol konnte ebenfalls durch PD98059 und U0126 verhindert werden. Daneben bewirkten PD98059 und U0126 allein eine Linksverschiebung der Konzentrations-Relaxations-Kurve nach Gabe von Bradykinin hinsichtlich EDHF-verrnittelter Relaxationen, ohne jedoch die NO-abhängige Relaxation oder den Tonus des Gefäßes zu beeinflussen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Cannabinoid-induzierte Aktivierung von ERK1/2 über eine Phosphorylierung der Connexin-43-Proteine eine Unterbrechung der Zell-zu-Zell-Kommunikation via gap junctions zur Folge hat. Dies führte zu der Hypothese, dass ERKI/2 an der EDHF-vermittelten Hyperpolarisation und Relaxation, insbesondere der Weiterleitung der Hyperpolarisation vom Endothel zur glatten Muskelzelle über gap junctions zentral steuernd beteiligt sind und damit zumindest anteilig für die Cannabinoid-induzierten Hemmung EDHF-vermittelter Gefäßrelaxationen verantwortlich gemacht werden können. Die dabei zugrunde liegende Vorstellung einer zentralen Rolle der myoendothelialen gap junctions an der EDHF-vermittelten Relaxation in Schweinekoronararterien konnte jedoch in Organbadexperimenten nicht bestätigt werden, da die typischen gap junction-Blocker (18alpha-Glyzyrrhetinsäure, 18ß-Glyzyrrhetinsäure und Carbenoxolon) keine Hemmung EDHFvermittelter Gefäßrelaxationen bewirken konnten. Es ist somit unklar, inwieweit eine Cannabinoid-induzierte, ERKl/2-verrnittelte Entkopplung der Zell-zu-Zell-Kommunikation via gap junctions and der Cannabinoid-induzierten Hemmung Gefäßrelaxationen beteiligt ist.
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.
Rolle der NADPH-Oxidase in der Thrombin-induzierten Signaltransduktion in glatten Gefässmuskelzellen
(2008)
Die Pathogenese der Atherosklerose besteht aus einem komplexen Netzwerk, bei dem anhand der hier vorliegenden Daten die vaskuläre NADPH-Oxidase eine zentrale Rolle spielt. In der Vergangenheit wurde bereits gezeigt, dass die Aktivierung der NADPH-Oxidase durch zahlreiche Mediatoren (u.a. Wachstumsfaktoren wie PDGF, Angiotensinogen II und Thrombin) mit vermehrter Freisetzung von Sauerstoffradikalen erfolgt. Ein spezifischer Nachweis, inwieweit die vaskuläre NADPH-Oxidase dabei tatsächlich involviert ist, stand bisher aus. Durch den Einsatz spezifischer Methoden (neutralisierende Antikörper, Antisense Oligonukleotide), wodurch die Untereinheiten der NADPH-Oxidase, p22phox und p47phox, gehemmt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass die NADPH-Oxidase die wichtigste Quelle der Sauerstoffradikalbildung darstellt. Durch den Einsatz von p22phox Antisense Oligonukleotide wurde gezeigt, dass es durch die Stimulation mit Thrombin zu einer vermehrten ROS-Produktion durch die p22phox-tragende NADPH-Oxidase mit erhöhter Aktivierung der p38 MAP-Kinase kommt. Des Weiteren wird die Expression des pro-atherogenen Chemokins MCP-1 bekannterweise durch Thrombin induziert. Auch hier konnte durch den Einsatz von p22phox Antisense-Oligonukleotide der p22phox-tragenden NADPH-Oxidase eine zentrale Rolle in der redoxmediierten Genexpression dieses Chemokins zugeschrieben werden. Fehlte die sich im inaktiven Zustand der Oxidase im Zytosol befindliche Untereinheit p47phox, wurde ebenfalls eine beeinträchtigte basale als auch Agonisten-induzierte ROSProduktion durch die NADPH-Oxidase beobachtet. Dabei scheint die Oxidase auch bei Fehlen von p47phox - im Gegensatz beim Fehlen der p22phox - aktiv zu sein, allerdings geringer als bei Vorhandensein aller Untereinheiten. Zusammenfassend konnten die vorliegenden Daten verdeutlichen, dass die p22phox- und p47phox-tragende NADPH-Oxidase eine zentrale Rolle in der ROS-Produktion spielt. Die Sauerstoffradikalbildung wird dabei durch die Expression der einzelnen Untereinheiten als auch der Aktivität der Oxidase bestimmt. Weiterhin sprechen die Daten dafür, dass es sich bei der vaskulären NADPH-Oxidase nicht um ein konsekutiv-aktives Enzym, sondern eher um eine durch Agonisten–induzierte Aktivität der Oxidase handelt.
Hintergrund: Epoxyeicosatriensäuren (Epoxyeicotrienoic acids, EETs) sind antihypertensiv, anti-inflammatorisch, anti-proliferativ und pro-fibrinolytisch wirksam. Die lösliche Epoxid-Hydrolase (soluble epoxid hydrolase, sEH) wandelt EETs in ihre korrespondierenden, weniger aktiven Diole (DHETEs) um. Das legt die Vermutung nahe, dass eine Steigerung der EET-Spiegel durch sEH-Inhibition eine Strategie zur Verhinderung von Endorganschäden sein kann. Wir untersuchten den Effekt der sEH-Inhibition im Modell der chronischen Niereninsuffizienz bei der Maus. Methoden: Es wurde eine 5/6 Nephrektomie (5/6 Nx) an männlichen SV129 Mäusen durchgeführt um eine chronisch progressive Niereninsuffizienz zu induzieren. Postoperativ wurden die Tiere in Gruppen randomisiert und mit Placebo (Leitungswasser), einem ACE-Hemmer (Ramipril, 40 mg/kgKG/d), dem sEH-Inhibitor 1471 (15 mg/kgKG/d) und dem CYP-Inhibitor Fenbendazol (15 mg/kgKG/) für 8 Wochen behandelt. Ergebnisse: Verglichen mit den sham-operierten Mäusen induzierte die 5/6 Nx einen arteriellen Hypertonus, eine Proteinurie, Glomerulosklerose und eine erhöhte Sterblichkeit. Wie erwartet führte die Gabe von Ramipril zu einer Blutdrucksenkung, einer verminderten Albuminurie und einer verbesserten Überlebensrate. Fenbendazol senkte die Plasma- Konzentration von einigen EETs, hatte aber keinen Einfluss auf die Progression der Niereninsuffizienz. Überraschenderweise kam es unter sEH-Inhibitor-Therapie zu keiner Blutdrucksenkung in diesem Modell. Im Gegenteil, die Proteinurie war sogar noch verstärkt bei den 5/6 Nx-Tieren unter 1471-Therapie verglichen mit der Placebo-Gruppe. Die Plasma-EET-Spiegel waren >2 mal höher in den 5/6 Nx-Mäusen als in der korrespondierenden sham-Gruppe. Die renale sEH-Expression war in den 5/6 Nx-Mäusen vermindert, eine medikamentöse sEH-Inhibition steigerte die EET-Spiegel in diesen Tieren noch weiter. Bemerkenswert war, dass, ausschließlich in den 5/6 Nx-Gruppen, eine sEH-Inhibition und eine CYP-Inhibition zu einer gesteigerten Konzentration von 5-Hydroxyeicosatriensäure (5-HETE), 12-HETE und 15-HETE führte, welche Lipid Peroxidations- und Lipoxygenase-Produkte sind. Fazit: Im Modell der 5/6 Nephrektomie bei der Maus führt die Hemmung der sEH zu keiner Blutdrucksenkung, sondern zu einer Verschlechterung der Proteinurie. Ursächlich hierfür sind vermutlich die durch die Niereninsuffizienz hervorgerufe Akkumulation von EETs sowie eine Verschiebung des Arachidonsäure-Metabolismus hin zu Lipoxgenase-Produkten mit nierenschädigender Wirkung.
Knochenmarkszellen sowie zirkulierende endotheliale Progenitorzellen (EPC) beteiligen sich an der Neovaskularisation ischämischen Gewebes im Tiermodell und wurden nach Myokardinfarkt in ersten klinischen Studien erfolgreich eingesetzt. Stromal cell derived factor-1 (SDF) ist der physiologische Ligand des CXCR4-Rezeptors, der auf hämatopoietischen Stammzellen sowie auf EPC exprimiert ist. Der CXCR4-Rezeptor ist entscheidend für das Homing von hämatopoietischen Stammzellen und für die unktionelle Aktivität von EPC. Eine Aktivierung des CXCR4-Rezeptors führt zur Phosphorylierung und Aktivierung der Janus Kinase 2 (JAK2), Phosphatidylinositol 3 (PI3)-Kinase sowie der Aktivierung fokaler Adhäsionsproteine, entscheidende Schritte für die SDF induzierte Migration von CXCR4+ Zellen. EPC von Patienten mit koronarer Herzerkrankung sind funktionell eingeschränkt, jedoch sind die genauen Mechanismen dieser Einschränkung bislang nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war es die funktionelle Aktivität von mononukleären Zellen aus dem Knochenmark (BM-MNC) von heterozygoten CXCR4+/- Mäusen mit denen von homozygoten CXCR4+/+ Mäusen zu vergleichen. Im Weiteren sollte die Phosphorylierung von JAK2 in BM-MNC dieser Mäuse sowie in EPC von Patienten mit koronarer Herzerkrankung und gesunden Probanden untersucht werden. Die CXCR4-Expression auf der Oberfläche von BM-MNC von heterozygoten CXCR4+/- Mäusen ist signifikant niedriger als die CXCR4-Expression auf BM-MNC von homozygoten CXCR4+/+ Mäusen. BM-MNC von CXCR4+/- Mäusen zeigten eine eingeschränkte funktionelle Kapazität die Perfusion im Hinterlaufischämiemodell der athymischen Nacktmaus nach Transplantation zu verbessern verglichen zu BM-MNC von CXCR4+/+ Mäusen. CXCR4+/- Mäuse zeigten eine signifikant erniedrigte Erholung nach Anlage einer Hinterlaufischämie verglichen zu CXCR4+/+ Mäusen. Die reduzierte Erholung der CXCR4+/- Mäuse konnte durch Transplantation von BM-MNC aus CXCR4+/+ Mäusen verbessert werden. Die JAK2-Phosphorylierung in BM-MNC von CXCR4+/- Mäusen war signifikant niedriger als bei CXCR4+/+ Mäusen. EPC von Patienten mit koronarer Herzerkrankung (KHK) hatten eine niedrigere basale JAK2-Phosphorylierung verglichen zu EPC von gesunden Probanden und die JAK2- Phosphorylierung in EPC von Patienten mit KHK ließ sich weniger stark durch SDF stimulieren als in EPC von gesunden Probanden. Die vorliegende Arbeit unterstützt die Rolle des CXCR4-Rezeptors für die funktionelle Aktivität von Progenitorzellen in vivo. Sowohl die funktionell eingeschränkten BM-MNC von CXCR4+/- Mäusen als auch EPC von Patienten mit KHK zeigen eine verringerte JAK2 Phosphorylierung verglichen zu CXCR4+/+ Zellen bzw. EPC von gesunden Probanden. Eine Aktivierung des SDF-CXCR4-Signaltransduktionsweges könnte therapeutisch eingesetzt werden um die funktionelle Aktivität der Zellen vor der klinischen Stammzelltransplantation zu verbessern.
Die Wirkung der 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-CoA-Reduktasehemmer ist auf die Blockierung der Isoprenoid-Bildung in der Cholesterin-de-novo-Synthese zurückzuführen. Unter Statin-Behandlung von glatten Gefäßmuskelzellen kommt es im Zytoplasma zur Akkumulation der inaktiven GTPase Rac, die für ihre Aktivierung Geranylgeranylpyrophosphat zur Verankerung in die Plasmamembran benötigt. Nach Stimulation von Agonisten wie Angiotensin II und Thrombin hemmen Statine die Rac-abhängige NADPH-Oxidase, die eine wichtige Quelle der vaskulären Sauerstoffradikalproduktion (ROS) ist. Die Senkung der ROS-Bildung hat die Blockierung der Phosphorylierung von ERK 1/2 und p38 MAP-Kinase und der Expression redox-sensitiver Gene zur Folge. In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen an kultivierten glatten Muskelzellen zusammengefasst, die zeigen sollen, dass der Statin-Entzug in der Expression pro-inflammatorischer Gene resultiert, die eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung und Progression der Arteriosklerose spielen. Es wurde nachgewiesen, dass der Entzug von Cerivastatin in vorbehandelten glatten Gefäßmuskelzellen zur Induktion von MCP-1 und Tissue Faktor (TF) mRNA führt. Die Steigerung der Expression von MCP-1 hat schließlich eine relevante MCP-1 Freisetzung zur Folge. Im Falle von TF ist die Expression so ausgeprägt, dass es auch zu einer Erhöhung der Aktivität von TF an der Zellmembran kommt. Durch Zusatz von Geranylgeranylpyrophosphat und Mevalonsäure kann die Wirkung der HMG-CoA-Reduktasehemmer wieder aufgehoben werden. Unter dem Einfluss der Hemmstoffe PD98059, SB203580 und Diphenyleniodonium (DPI) wird die durch Abbruch der Statin-Behandlung bedingte Expression des proarteriosklerotischen Faktors unterdrückt. Diese Beobachtung lässt die Beteiligung von ERK 1/2, p38 MAP-Kinase und NADPH-Oxidase an der Signaltransduktion zu. Der Entzug von Statinen führt zu einer Steigerung der Phosphorylierung der MAP-Kinasen und zu einer Verstärkung der ROS-Bildung. Da die Produktion von Sauerstoffradikalen vermutlich als Folge der Aktivierung der Rac-abhängigen NADPH-Oxidase ist, wurde der Effekt des Entzuges auf die Rac-Translokation in der Zelle untersucht. Es zeigte sich, dass die Unterbrechung der Behandlung mit HMG-CoA-Reduktasehemmer mit einer überschiessenden Translokation der GTPase vom Zytoplasma an die Plasmamembran verbunden ist. Aus den erhobenen Befunden kann somit gefolgert werden, dass der Entzug von Statinen in einer Aktivierung von Rac und konsekutiver ROS-Bildung resultiert. Durch die Aktivierung der nachfolgenden Signaltransduktionskaskaden kommt es zu einer Induktion von MCP-1 und Tissue Faktor.
Hintergrund: CD34+ Zellen besitzen eine essenzielle Rolle in der Hämatopoese und vaskulären Homöostase. Das Ziel unserer Studie war, erstens, in vitro die Rolle des thrombozytären JAM-C bei der Adhäsion und anschließenden Differenzierung von humanen CD34+ Zellen zu endothelialen Progenitorzellen zu analysieren sowie zweitens, seine Assoziation mit dem thrombozytären P-Selektin bei Patienten mit koronarer Herzkrankheit zu untersuchen.
Methoden und Ergebnisse: Mittels Durchflusszytometrie beobachteten wir, dass in vitro die JAM-C-Expression auf der Oberfläche von Thrombozyten, nach Thrombozytenaktivierung, erhöht ist. Die JAM-C-Expression korrelierte mit der Expression des thrombozytären P-Selektin in Patienten mit koronarer Herzkrankheit (r=0,301, P=0,01). Die Rolle des JAM-C und seines Counter-Rezeptors MAC-1 bei der Adhäsion von humanen CD34+ Zellen über immobilisierten Thrombozyten, wurde jeweils, unter Verwendung eines neutralisierenden löslichen Proteins (sJAMC-Fc) und eines monoklonalen Antikörpers gegen JAM-C oder Integrin MAC-1 (CD11b/CD18), untersucht. Die Behandlung mit löslichem JAM-C-Fc, anti-JAM-C oder anti-MAC-1 ergab, im Gegensatz zu einer Vorbehandlung mit Control-Fc oder IgG1, eine signifikant verminderte Adhäsion von humanen CD34+ Zellen an immobilisierten Thrombozyten unter statischen Bedingungen (P<0,05). Um unsere Ergebnisse unter hoher Scherspannung, ähnlich der arteriellen Strömung, zu validieren, führten wir Perfusionsexperimente in einer Flusskammer durch. Auch unter hoher Scherspannung führte die Hemmung der JAM-C/MAC-1 Interaktion zu einer signifikant verringerten Adhäsion von CD34+ Zellen über immobilisierten Thrombozyten (P<0,05). Mittels endothelialer Kolonienbildungstests und Kokulturen konnten wir zeigen, dass die Thrombozyten-vermittelte Differenzierung von CD34+ Zellen zu Endothelzellen oder Makrophagen/Schaumzellen, durch die Hemmung der JAM-C/MAC-1-Achse, unbeeinflussbar bleibt.
Schlussfolgerungen: In Anbetracht dieser Ergebnisse kann man behaupten, dass thrombozytäres JAM-C die CD34+ Zelladhäsion unterstützt. Dieser Mechanismus kann möglicherweise am Homing sowie an der Domizilierung von humanen CD34+ Zellen beteiligt sein.
Abdominale Aortenaneurysmen sind in Industrienationen eine häufige Erkrankung der Personengruppe über 65 Jahre. Diese Dilatationen der abdominalen Aorta zeichnen sich durch eine lokale Inflammation aus, die mit der Infiltration von Immunzellen, dem Verlust von glatten vaskulären Muskelzellen und der Degeneration der extrazellulären Matrix einhergeht. Ursprünglich als Symptom einer Atherosklerose angesehen, sind die Ursachen dieser progressiv verlaufenden Erkrankung nach wie vor nicht vollständig verstanden; obwohl steigendes Alter, männliches Geschlecht, genetische Prädisposition, Rauchen und ein zuvor erlittener Myocardinfarkt als Risikofaktoren identifiziert werden konnten. Der lange Zeit asymptomatische Krankheitsverlauf, die Gefahr einer Ruptur mit häufig letalen Folgen und der Mangel einer effizienten pharmakologischen Therapie machen eine weitere Untersuchung dieser Erkrankung unabdingbar.
Diltiazem ist ein Inhibitor spannungssensitiver L Typ-Calciumkanäle, der seit über 25 Jahren zur Behandlung von arterieller Hypertonie, verschiedener Arrhythmien und Angina pectoris verwendet wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob Diltiazem auch einen antianeurysmatischen Effekt besitzt. Eine vierwöchige subcutane Infusion des blutdrucksteigernden Hormons Angiotensin II führte nach vier Wochen zur Bildung abdominaler Aortenaneurysmen, sowie zu atherosklerotischen Gefäßveränderungen der thorakalen Aorta Apolipoprotein E (ApoE)-defizienter Mäuse. Eine parallele Therapie mit Diltiazem über das Trinkwasser konnte diese Entwicklung unabhängig vom arteriellen Blutdruck und damit unabhängig von der antihypertensiven Wirkung verhindern. Im Aortenbogen Diltiazem-behandelter Tiere konnte im Rahmen dieses in vivo-Modells nach sechs Tagen eine deutlich geringere lokale Expression proinflammatorischer Cytokine, wie Tumornekrosefaktor-a, Interleukin-1ß (IL1B) und Interleukin-6 (IL6), Chemokine, wie CCL2, und degenerativer Proteasen, wie der Matrix-Metalloprotease 9 (MMP9), festgestellt werden. Dies war die Folge einer reduzierten Anzahl von Macrophagen in der Gefäßwand. Zirkulierende proinflammatorische Cytokine, wie CCL12, konnten im Serum teilweise ebenfalls vermindert nachgewiesen werden.
Obwohl die antihypertensive Wirkung von Diltiazem in glatten vaskulären Muskelzellen vermittelt wird, war es nicht möglich, die Angiotensin II-induzierte Produktion von promigratorischem CCL2 und proinflammatorischem IL6 in isolierten Aortenringen ApoE-defizienter Mäuse oder in glatten vaskulären Muskelzellen der Ratte zu reduzieren. Diltiazem war zudem nicht in der Lage, die CCL2-induzierte Migration proinflammatorischer Ly6C+-Monocyten in vivo zu unterbinden. In isolierten peritonealen Macrophagen ApoE-defizienter Mäuse dagegen, konnte die IL6 induzierte Expression von IL1B- und CCL12-mRNA durch eine Inkubation mit Diltiazem verhindert werden. In der RAW264.7-Zelllinie, die morphologische und funktionelle Merkmale von Monocyten und Macrophagen aufweist, konnte die Dilitiazem-sensitive IL6-induzierte Expression von IL1B-mRNA in vitro ebenfalls nachgewiesen werden. Eine Stimulation mit IL6 war in diesen Zellen jedoch nicht ausreichend, um die Sekretion von IL1B-Protein auszulösen.
Thorakales Aortengewebe wies im Vergleich mit RAW264.7-Zellen eine veränderte Ausstattung spannungssensitiver Calciumkanäle auf. In letzteren fanden sich keine muskelzellspezifischen L-Typ-Calciumkanäle (CACNA1C), aber eine relevante Expression neuronaler P/Q-Typ-Calciumkanäle (CACNA1A). Mittels fluorimetrischer Bestimmung mit Fura-2AM konnte jedoch festgestellt werden, dass die intrazelluläre Calciumkonzentration Diltiazem-behandelter RAW264.7-Zellen unverändert war und der antiinflammatorische Effekt somit calciumunabhängig vermittelt wurde.
Diltiazem war nicht in der Lage, eine Lipopolysaccharid (LPS)-bedingte Inflammation in RAW264.7-Zellen zu unterbinden. Weder die LPS-induzierte Sekretion von IL1B Protein, noch die nucleäre Translokation des Transkriptionsfaktors NF-?B oder die Aktivierung des NF-?B-Promotors konnten durch eine Inkubation der Zellen mit Diltiazem verhindert werden. Diltiazem reduzierte jedoch, die IL6-induzierte Aktivierung des AP 1-Promotors unabhängig von der MAPK1-Phosphorylierung oder der Phosphorylierung und nucleären Translokation des Transkriptionsfaktors STAT3 zu unterbinden. Eine Unterdrückung von c-Jun N-terminale Kinase JNK- oder p38 Proteinkinase-vermittelten Signalwegen ist damit wahrscheinlich.
Das Pirinixinsäurederivat LP105 ist ein neuer Inhibitor der Arachidonat-5-Lipoxygenase (LOX5), der im Rahmen dieser Arbeit erstmals in vivo auf seine antianeurysmatischen Eigenschaften hin untersucht wurde. LOX5 katalysiert die Reaktion von Arachidonsäure zu Leukotrien A4 und kontrolliert damit einen wichtigen Schritt in der Synthese proinflammatorischer Leukotriene. LP105 war im Tiermodell nicht in der Lage die Angiotensin II-induzierte Bildung abdominaler Aortenaneurysmen in ApoE-defizienten Mäusen komplett zu unterbinden, führte aber über die Reduktion der vaskulären Inflammation zu einer deutlich verringerten Krankheitslast. LP105 selbst beeinflusste die mRNA-Expression verschiedener Enzyme des Arachidonsäuremetabolismus nicht, verstärkte jedoch durch die Blockade von LOX5 die Metabolisierung von Arachidonsäure über Arachidonat-15-Lipoxygenase und Cytochrom P450-Enzyme.
Ziel dieser Arbeit war die Quantifizierung der Expression der NADPH-Oxidase-Isoformen in verschiedenen Organen der Maus sowie Zellkulturen aus HUVEC und VSMC von Maus, Ratte und Mensch mittels real-time RT-PCR. Darüberhinaus wurde der Einfluss von für die Pathophysiologie der Atherosklerose bedeutsamen Wachstumsfaktoren auf die Expression verschiedener NADPH-Oxidase-Untereinheiten in Gefäßmuskelzellen sowie die Bedeutung von Nox2 für die endotheliale Dysfunktion in einem Maus-Modell für renovaskuläre Hypertonie untersucht. Nox1 und Nox4 konnten bemerkenswerterweise in fast allen untersuchten Proben nachgewiesen werden, wobei sich große quantitative Unterschiede zwischen den verschiedenen Organen fanden. Für Nox1 und Nox4 betrugen diese Unterschiede bis zu drei Zehnerpotenzen, für Nox2-mRNA bis zu zwei Zehnerpotenzen. Sortiert man die verschiedenen Organe nach der Stärke ihrer Nox-Expression gilt rur Nox1 Colon> Milz> Niere> Aorta, für Nox2 Milz> Niere = Aorta> Colon und für Nox4 Niere> Milz> Colon> Aorta. Im der Aorta werden gleichzeitig drei verschiedene NADPH-Oxidase-Isoformen exprimiert: Nox1, Nox2 und Nox4. Das individuelle Expressionsmuster von Nox1, Nox2 und Nox4 in der Aorta variierte zwischen einzelnen Tieren zum Teil beträchtlich. Insbesondere Endothelzellen exprimieren alle drei Nox-Isoformen, während VSMC der Aorta nur Nox1 und Nox4 und Fibroblasten der aortalen Adventitia v. a. Nox2 exprimieren. Die in nicht-phagozytären Zellen exprimierten NADPH-Oxidasen unterscheiden sich von der Phagozyten-NADPH-Oxidase nicht nur in der maximalen ROS-Produktionskapazität und der intrazellulären Lokalisation, sondern auch in der Zusammensetzung des Enzymkomplexes aus den verschiedenen Untereinheiten. Sortiert man die verschiedenen Organe wiederum nach der Stärke der Expression der verschiedenen Untereinheiten ergibt sich für p67phox, Noxa1 und Noxo1 die gleiche Reihenfolge, Colon > Aorta > Niere. Die quantitativen Expressionsunterschiede betragen dabei für p67phox nur eine Zehnerpotenz, für Noxal drei Zehnerpotenzen und rur Noxol zwei Zehnerpotenzen. Die quantitative Untersuchung der Expression der Aktivatoruntereinheiten der NADPH-Oxidase in vaskulären Zellen ergab eine stärkere Noxa1-Expression in HUVEC als in VSMC während letztere mehr p67phox exprimieren als HUVEC. Überraschenderweise exprimierten menschliche VSMC der Aorta um ein Vielfaches mehr p67phox als murine VSMC der Aorta, während die quantitative Noxa1- und Noxo1-Expression in menschlichen und murinen, VSMC keine derart großen Unterschiede zeigten. Wahrscheinlich sind diese Expressionsunterschiede der NADPH-Oxidase-Untereinheiten Teil einer bedarfs- und situationsgerechten, zelltypspezifischen Regulation der Sauerstoffradikalproduktion durch die NADPH-Oxidase. So zeigt sich zum Beispiel in VSMC unter Stimulation mit PDGF ein Anstieg der p67phox-Expression und eine Reduktion der NoxalExpression, während Angiotensin II keinen signifikanten Effekt auf die Noxa1-Expression hat. PDGF, ein proliferationsfördernder Faktor für VSMC, unterstützt auf diese Weise eine durch Proteinkinase C-regulierte Aktivität der NADPH-Oxidase. Angiotensin II, das v. a. die Hypertrophie glatter Gefäßmuske1zellen induziert, fördert dagegen die Noxal-Expression, was eher für eine konstitutive NADPH-Oxidase-Aktivität förderlich ist. Anhand der hier gezeigten quantitativen Expressionsuntersuchungen lassen sich leider allenfalls Spekulationen über die möglichen Regulationsmechanismen der ROS-Produktion in VSMC anstrengen. Dennoch haben sich mit Hilfe der in dieser Arbeit gesammelten Ergebnisse, ähnlich einem Puzzle, dem großen Bild der NADPH-Oxidasen und ihrer Regulation ein paar kleine Teilchen hinzugefügt. An einem 2-Nieren-1-Clip-Modell für renovaskuläre Hypertonie wurde der Einfluss der NADPH-Oxidase-Aktivität und Expression auf die endotheliale Dysfunktion untersucht. In Aortenringen von geclippten Wildtyp-Mäusen kommt es zu einer erhöhten Elimination exogen zugeführten NOs sowie gestörter endothelvermittelter Relaxation der Gefäßmuskulatur auf Acetylcholin, was auch als endotheliale Dysfunktion bezeichnet werden kann. Die durch den Clip verursachte endotheliale Dysfunktion wird durch Entfernen des Endothels aus den untersuchten Gefäßabschnitten oder Elimination des Nox2-Gens aus dem Genom der Mäuse verhindert. Damit zeigt diese Untersuchung, dass die endotheliale Dysfunktion bei der renalen Hypertonie in Mäusen durch die Aktivierung der endothelialen NADPH-Oxidase verursacht wird. Die Erkenntnisse dieser Arbeit demonstrieren daher ein mögliches therapeutisches Potential von Isoform-spezifischen-NADPH-Oxidase-Hemmstoffen als wirksame Medikamente in der Behandlung vaskulärer Dysfunktionen, wie sie z. B. bei der renovaskulären Hypertonie vorkommen. Unabdingbare Vorraussetzung dafiir sind jedoch detailliertere Kenntnisse der komplexen Mechanismen der NADPH-Oxidase-Regulation im Gefßsystem.
