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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.

Vorarbeiten hatten eine Interaktion zwischen KCNQ1 und KCNH2 gezeigt. Die vorliegende Arbeit zielte darauf, den Mechanismus der Interaktion mittels elektrophysiologischer und pharmakologischer Methoden zu ermitteln. Die in dieser Arbeit vorgelegten Resultate schließen eine Bildung von Hetero-Tetrameren zwischen KCNH2 und KCNQ1 α-Untereinheiten weitgehend aus. Der Effekt von KCNQ1 auf KCNH2 vermittelte Ionenströme scheint mehr als nur eine Addition von KCNQ1 Strom darzustellen. Diese Ergebnisse könnten Relevanz für physiologische und pathologische Zustände aufweisen.

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.

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.

In der vorliegenden Arbeit konnte eine neue virus-freie Transfektionsmethode für den vaskulären Gentransfer an einem ex vivo Modell an Koronararterien etabliert werden. Es wird gezeigt, daß durch ultraschall-induzierte Destruktion von Microbubble-Vektoren (UIMD) ein lokaler Transfer von Plasmid-DNA in die Gefäßwand mit hoher Effizienz und Sicherheit erzielt werden kann. Die Praktikabilität dieser Methode wird durch einen erfolgreichen eNOS-Gentransfer in die Gefäßwand unter Beweis gestellt. Dabei führen schon niedrige Plasmid-DNA-Konzentrationen zur Expression eines funktionell aktiven, rekombinanten eNOSmt-Proteins mit basal erhöhter NO-Produktion. Dies läßt sich bei der endothelialen Funktionstestung durch eine signifikante und nachweislich NO-vermittelte Reduktion der durch Prostaglandin F2α -induzierten Vasokonstriktion nachweisen. Zunächst konnte in dieser Arbeit erfolgreich gezeigt werden, daß es möglich ist, durch Zusatz von Plasmid-DNA bei der elektromechanischen Sonifikation von Humanalbumin Microbubble-Vektoren herzustellen, in deren Albuminschale die Plasmid-DNA inkorporiert ist. In einem nächsten Schritt konnte gezeigt werden, daß an dem in dieser Arbeit entwickelten ex vivo-Perfusions-Modell an Koronararterien durch ultraschallinduzierte Destruktion intravasal verabreichter Microbubble-Vektoren vor allem die Endothelzellschicht effizient mit Reporterplasmiden (LacZ) transfiziert werden kann. Dabei wurde zunächst ein Standardverfahren etabliert, bei dem die Koronararterien mit Microbubble-Vektoren bei einer Geschwindigkeit von 2 ml/min perfundiert und in einem definierten Ultraschallsektor für 5s im harmonic imaging-Modus gescannt wurden. Die Transfektionseffizienz korreliert dabei positiv mit der Konzentration an Microbubble-Vektoren im Perfusat. Experimente zum Einfluß der Perfusion auf die UIMD-Transfektion zeigten, daß die Perfusion mit 2ml/min verglichen mit statischen Versuchsbedingungen einen positiven Einfluß auf die Transfektionseffizienz nimmt. Eine Steigerung der Flußrate um den Faktor 5 geht jedoch mit einer signifikanten Abnahme der Expression rekombinanter ß-Galaktosidase mit verminderter Enzymaktivität in der Gefäßwand einher. Unter gleichen experimentellen Bedingungen konnte durch längere Ultraschallexpositionszeiten die Transgenexpression wiederum gesteigert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Arbeit war es nachzuweisen, daß die UIMD-Transfektionsmethode an Leitarterien wie den Koronargefäßen ein sicheres Verfahren zum endothelialen Gentransfer darstellt und keine morphologischen oder funktionellen Endothelschäden hervorruft. Dies konnte histologisch und durch endothel-abhängige Funktionsmessungen an Gefäßringen von transfizierten Koronargefäßen erfolgreich gezeigt werden. Zudem ergaben Messungen der LDH-Enzymaktivität bei transfizierten Gefäßen kein Hinweis auf einen zytotoxischen Effekt der UIMD-Transfektionsmethode. In einem letzten Schritt konnte gezeigt werden, daß sich die UIMD-Transfektionsmethode exzellent für einen vaskulären eNOS-Gentransfer eignet. Erfolgreiche Transfektion gesunder Koronararterien mit dem phosphomimetischen eNOS-Konstrukt geht mit einem verminderten Gefäßtonus einher und führt zu einer etwa 60%igen NO-vermittelten Reduktion der durch Prostaglandingabe provozierten Gefäßkontraktion. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die ultraschall-unterstützte Transfektion mit Plasmid-DNA-beladenen Microbubbles ein sehr effizientes und nichttoxisches Verfahren zum non-viralen Gentransfer in die Gefäßwand von größeren Leitarterien darstellt. Die Herausforderung an die Zukunft wird sein, an verschiedenen in vivo Modellen die Praktikabilität dieser Methode sicherzustellen und zu zeigen, daß die hohe Transfektionseffizienz und Sicherheit auch in vivo gewährleistet ist. Dann könnten durch intravasale Injektion über katheter-basierte Verfahren oder sogar durch intravenöse Gabe gezielt vaskularisierte Organbereiche nicht-/ minimalinvasiv therapeutisch angegangen werden. So wäre nicht nur eine gentherapeutische Anwendung der UIMD-Methode bei kardiovaskulären Erkrankungen denkbar, sondern auch in der Onkologie als optionale Therapiemöglichkeit bei malignem Tumorleiden. Zum Beispiel könnte durch Transfektion mit anti-Tumoroder anti-Angiogenese- Genen lokal das Tumorwachstum gehemmt werden.