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Die Alzheimer Demenz (AD) ist eine progressive, neurodegenerative Erkrankung, die weltweit die häufigste Form der Demenz darstellt und im mittleren bis späten Lebensabschnitt auftritt. Die auffälligsten histopathologischen Merkmale der AD beinhalten –neben dem Untergang von Nervenzellen und Synapsen vorwiegend im Temporal- und Parietallappen – das Auftreten von extrazellulären Ablagerungen aus fibrillogenem Aß1-42-Peptiden in senilen Plaques und intraneuronalen Akkumulationen von hyperphosphoryliertem Tau in so genannten neurofibrillären Bündeln. Derzeitig häufen sich Anhaltspunkte, nach denen die mitochondriale Dysfunktion eine entscheidende Rolle beim Nervenzelluntergang bei der AD spielt. Um genauere Informationen über die Ursache der mitochondrialen Dysfunktion zu erhalten, wurden in dieser Arbeit der Einfluss von Alzheimer-relevanten Faktoren, wie der Aß- und der Tau-Pathologie, sowie das Alter als wichtigster Risikofaktor der AD auf die mitochondriale Funktion untersucht. Als Tiermodelle standen hierfür Thy-1 APP transgene Mäuse, welche erhöhte Aß-Level ab einem Alter von 3 Monaten aufweisen (Blanchard et al., 2003), P301L transgene Mäuse, bei denen es ab einem Alter von 6 Monaten zur NFT-Formation kommt (Gotz et al., 2001b) und NMRI-Mäuse als Altersmodell zur Verfügung. Isolierte Hirn-Mitochondrien von Thy-1 APP transgenen Mäusen weisen unter basalen Bedingungen ein signifikant erniedrigtes Membranpotential im Vergleich zu dem von non-tg Tieren auf. Die Inkubation mit H2O2 und SNP führt weiterhin zu einem signifikant reduzierten mitochondrialen Membranpotential in isolierten Mitochondrien von non-tg Tiere. Demgegenüber können Mitochondrien Thy-1 APP transgener Mäuse offenbar nicht durch oxidativen und nitrosativen Stress zusätzlich geschädigt werden, wofür wahrscheinlich eine Vielzahl von Kompensationsmechanismen verantwortlich ist. Im Gegensatz hierzu führt die Expression der human pathogenen Mutation P301L in isolierten Mitochondrien 15 Monate alter Mäuse zu einem nur tendenziell erniedrigten Membranpotential. In Anbetracht der weiteren Ergebnisse dieser Arbeit und publizierten Daten kann allerdings davon ausgegangen werden, dass das Membranpotential in P301L-Mitochondrien zu einem späteren Alter ebenfalls signifikant vermindert ist. Weiterhin demonstrierten fortführende Experimente einen Defekt der Komplex IV-Aktivität bei Thy-1 APP Mitochondrien und eine reduzierte Komplex I-Aktivität bei P301L-Mitochondrien. Passend zu diesen Daten sind sowohl Thy-1 APP- als auch P301L-Mitochondrien im Alter durch einen reduzierten Atmungskontrollindex gekennzeichnet, das heißt beide transgene Mauslinien weisen im Alter eine beeinträchtigte mitochondriale Atmungsrate auf. Ferner konnte der Einfluss von Aß auf die mitochondriale Atmungskette durch die Inkubation mit extrazellulär zugefügtem fibrillärem Aß zu non-tg Mitochondrien bestätigt werden. Die Inkubation mit Aß führt in non-tg Mitochondrien zu einer reduzierten State 3-Atmung, welche sich ebenfalls in einem verminderten Atmungskontrollindex widerspiegelt. Dieses Ergebnis verdeutlicht nochmals den Zusammenhang der mitochondrialen Dysfunktion mit Aß. Des Weiteren waren isolierte Hirn-Mitochondrien von Mäusen unterschiedlicher Altersstufen mit fortschreitendem Alter durch eine signifikant stärker ausgeprägte Depolarisation des mitochondrialen Membranpotentials gekennzeichnet. Daneben reagieren isolierte Mitochondrien von alten Tieren nach Inkubation mit spezifischen Inhibitoren der Komplexe I, III und IV mit einer stärkeren Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials als junge Tiere. Von besonderem Interesse für die hier vorliegende Arbeit war vor allem die erhöhte Empfindlichkeit der Komplexe I und IV in alten Mäusen, da diese Defizite ebenfalls mit der Tau- und Aß-Pathologie in Verbindung gebracht worden sind. Ferner ergab die direkte Messung der Komplex I Aktivität eine signifikante Verminderung der NADH-Ubiquinon-Reduktase-Aktivität im Alter. In Übereinstimmung weisen isolierte Mitochondrien unter Verwendung von Komplex I-Substraten eine mit dem Alter zunehmende Verminderung der Atmungsraten. Es scheint, dass das vermehrte Auftreten mitochondrialer Mutationen im Alter in Kombination mit spezifischen Defekten der Atmungsketten-Komplexe durch synergistische Effekte das späte Einsetzen der mitochondrialen Dysfunktion in Thy-1 APP und P301L transgenen Tieren bzw. bei der AD erklären könnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl Ginkgo biloba Extrakt als auch Piracetam protektive Effekte auf die mitochondriale Funktion ausüben. Nach jeweils 14-tägigen Behandlungsstudien konnte gezeigt werden, dass sowohl Gingko biloba Extrakt als auch Piracetam in der Lage waren, das mitochondriale Membranpotential nach oxidativem und nitrosativem Stress zu schützen. Des Weiteren konnte bei beiden Stoffen eine Stabilisation der mitochondrialen Atmungskettenkomplexe nach einer Behandlung mit spezifischen Komplexinhibitoren beobachtet werden. Die protektiven Effekte von Ginkgo biloba können durch zwei Mechanismen erklärt werden, durch seine Radikalfänger-Eigenschaften und zum anderen durch seine stabilisierende Funktion der mitochondriale Funktion. Demgegenüber scheint Piracetam die Mitochondrien durch seine membranstabilisierenden Eigenschaften zu schützen. Durch die Erhöhung der Membranfluidität der inneren mitochondrialen Membran scheint Piracetam die Funktion der mitochondrialen Atmungsketten-Komplexe zu stabilisieren. Ginkgobiloba Extrakt und Piracetam scheinen demzufolge zwei sehr interessante Präventions- und Therapieoptionen bei Patienten mit leichten kognitiven Störungen bzw. bei Patienten mit AD dar.
Over the last years there has been an increasing interest in the involvement of the MVA-pathway and of members of the small GTPases, in the development and progression of AD. Earlier investigations mainly focused on the role of cholesterol in disease pathology. This research was supported by retrospective cohort studies, initially showing beneficial effects of the long-term intake of cholesterol lowering statins, on the incidence of the development of sporadic AD. However, in more recent literature increasing attention has been paid to the isoprenoids, FPP and GGPP, due to their crucial role in the post-translational modifications of members of the superfamily of small GTPases. In AD, these proteins were amongst others shown to be involved in mechanisms affecting APP processing, ROS generation and synaptic plasticity. A major factor impeding the clarification of the role of the MVA-pathway intermediates in these mechanisms was the lack of a sensitive and accurate method to determine FPP and GGPP levels in brain tissue. Hence, a state of the art HPLC-FLD method for the quantification of the isoprenoids FPP and GGPP in brain tissue was successfully developed. After the introduction of a double clean-up step from complex brain matrix samples and the synthesis of an appropriate IS (DNP), the method was fully validated according to the latest FDA guideline for bioanalytical method validation. Furthermore, this method was transferred to a faster and more sensitive, state of the art UHPLC-MS/MS application. Additionally, the method was shown to be applicable for mouse brain tissue and data was generated from an in vivo mouse simvastatin study and for different mouse models. According to the aims of the thesis, the current work describes for the first time absolute isoprenoid concentrations in human frontal cortex white and grey matter. Furthermore, this is the first report of isoprenoid levels in the frontal cortex of human AD brains. Further results were shown from mouse brains originating from different mouse models, including the Thy-1 APP mouse model mimicking AD pathology in terms of Aβ formation or C57Bl/6 mice at different ages. AD prevalence can be clearly correlated with increasing age. Therefore, three different generations of mice were investigated. The study demonstrated constant isoprenoid and cholesterol levels in the first half of their life followed by a significant increase of FPP and GGPP in the second half (between 12 and 24 month of age). Cholesterol levels were also elevated in the aged group, but again the effect was less pronounced than shown for the isoprenoids. These results lead to the tentative conclusion that cerebral isoprenoid levels are elevated during aging and that this accumulation is amplified during AD leading to accelerated neuronal dysfunction. In a different mouse study, using the C57Bl/6 mice, in vivo drug intervention with the HMG-CoA reductase inhibitor simvastatin revealed strong inhibition of the rate limiting step of the mevalonate/isoprenoid/cholesterol pathway and resulted in the first report of significantly reduced FPP and GGPP levels in brain tissue of statin treated mice. These results open for the first time the possibility to monitor drug effects on cerebral isoprenoid levels and correlate these data with a modulation of APP processing, which was shown by our group in previous studies. Interestingly, apart from the isoprenoid reduction following statin treatment the reduction of brain cholesterol was also significant but to a lesser extent. These findings support the notion that isoprenoid levels are more susceptible to statin treatment than cholesterol levels. Furthermore, this suggests a strong cellular dependence on FPP and GGPP, as the pool seems to be easily depleted, which finally could lead to cell death. The first investigations of farnesylated Ras and geranylgeranylated Rac protein levels by means of immuno-blotting, substantiated the notion of a decreased abundance of prenylated small GTPases under statin influence as a consequence of reduced isoprenoid levels. These findings demonstrate for the first time a correlation of FPP and GGPP levels with the abundance of small GTPases. These findings together with the results from the AD study prove that isoprenoid levels are not strictly subject to the same regulation as cholesterol levels. To further understand the physiological regulation in the cell, in vitro experiments with different inhibitors of the mevalonate/isoprenoid/cholesterol pathway were conducted. These results confirmed the isoprenoid and cholesterol reducing effects of statin treatment as observed in the aforementioned in vivo mouse study. Interestingly, cholesterol synthesis inhibition targeted after FPP as the branch point, led to significantly elevated FPP levels. FTase inhibition led to significantly reduced FPP levels, whereas inhibition of the GGTase I did not show a significant change of either isoprenoid levels.
The utilization of Ginkgo biloba in medicinal practice dates back to 1505 A.D. Ironically, the mechanisms of action of Ginkgo are not fully clarified till now. Nowadays, Ginkgo biloba leaf extracts are mainly indicated for mild to moderate cerebrovascular insufficiency and different forms of dementia. The fact that it is an herbal extract composed of several different components indeed adds to the intricacy of finding its mechanisms of actions. Indisputably, many scientists tried to elucidate the mechanisms of actions of Ginkgo. The first step to achieve this goal was to standardize the leaf extract. The standardized Ginkgo leaf extract contains 22-27 % flavonol glycosides, 2.8-3.4 % of ginkgolide A, B and C, as well as approximately 2.6-3.2 % bilobalide and below 5 ppm ginkgolic acids. A widespread standardized Ginkgo extract is the EGb 761, which was utilized in the current work. One of the earliest proposed mechanisms is the ability of the Ginkgo extract to act as an anti-oxidant, which could be explained by its high flavonoid contents. However, without doubt EGb 761 encompasses other characteristics which distinguish it from other herbal extracts that are also rich in flavonoids. Since free radicals and reactive oxygen species are highly associated with the mitochondrial functions, examination of the effect of EGb 761 on mitochondrial functions was lately addressed. Moreover, this was encouraged as the link between Alzheimer’s disease [AD] and the mitochondria started to emerge. Previously, our group observed mitochondrial protective actions of EGb 761 on cell culture in vitro. Furthermore, anti-apoptotic effects were previously described for EGb 761. However, only very few studies addressed the single constituents and their effect on mitochondrial functions. Flavonoids were studied in several other plant extracts and their radical scavenging activity is unquestionable, but EGb 761 has anti-apoptotic actions which may be attributed to its terpenoid fraction. Exclusively found in the Ginkgo plant, are the ginkgolides and therefore their actions are not yet fully elucidated. Moreover, those who attempted to address these constituents concentrated on one or two candidates, for example bilobalide or ginkgolide B and ignored the rest. Unfortunately, this led to incomplete results, and one couldn’t compare the relative activities of all EGb 761 components in order to state whether all the components are effective or not. ...
In der vorliegenden Dissertation konnte gezeigt werden, dass Hyperforin wichtige Funktionnen von Keratinozyten beeinflusst. Hyperforin triggert die Ausdifferenzierung der epidermalen Zellen und inhibiert gleichzeitig ihre Proliferation. Diese Ergebnisse zeigen die physiologische Relevanz der Hyperforin-vermittelten Effekte, da diese beiden Prozesse in der Haut normalerweise gegenläufig ablaufen. Weiterhin war die von Hyperforin ausgeübte Ausdifferenzierungs-Zunahme und Proliferationshemmung vergleichbar mit den Effekten einer hohen [Ca2+]ex, die in vivo die Funktionen von Keratinozyten steuert. Die Frage, die aus diesen Ergebnissen resultierte, war, über welchen Mechanismus Hyperforin die Effekte in Keratinozyten beeinflusst. Die Untersuchung des Mechanismus der Hyperforin-induzierten Effekte zeigte, dass Hyperforin über die Aktivierung des TRPC6-Kanals einen Calcium-Influx in Keratinozyten bewirkt und resultierend daraus die Ausdifferenzierung von Keratinozyten anregt. Auch hier ergeben sich Parallelen zu der durch hohes [Ca2+]ex -induzierten Ausdifferenzierung, die ebenfalls einen Calcium-Einstrom in Keratinozyten auslöst. Eine Microarray-Analyse von Hyperforin-inkubierten Keratinozyten und anschließende Experimente mit selektiven Inhibitoren zeigte die Beteiligung der PKC/Ras/MEK/ERK-Signalkaskade. Interessanterweise gibt es hier ebenfalls Ähnlichkeiten zwischen Hyperforin und einer hohen [Ca2+]ex, da bekannt ist, dass eine hohe [Ca2+]ex die Ausdifferenzierung zumindest teilweise über diesen Signatransduktions-Weg steuert. Aufgrund der Parallelen zwischen der Hyperforin- und Ca2+-induzierten Ausdifferenzierung und den vermehrten Hinweisen auf die wichtige Rolle von TRPC-Kanälen in Keratinozyten, stellte sich die Frage, ob eine hohe [Ca2+]ex ebenfalls zur Aktivierung von TRPC-Kanälen führt. Tatsächlich konnten wir in dieser Arbeit zeigen, dass Calcium in Keratinozyten mehrere TRPC-Kanäle aktiviert und so einer Erhöhung der [Ca2+]i führt. Hierdurch konnte zum ersten Mal auch die Beteiligung von DAG-aktivierten TRPC-Kanälen an der Ca2+-induzierten Ausdifferenzierung gezeigt werden. Bei der Untersuchung von Psoriasis-Keratinozyten, die eine Hyperproliferation und erniedrigte Ausdifferenzierung in vivo aufweisen, konnte in der vorliegenden Dissertation eine grundlegende Störung des Calcium-Haushaltes festgestellt werden. Dabei zeigten die Psoriasis-Keratinozyten im Vergleich zu gesunden hPKs eine abnorme Antwort auf unterschiedliche Stimuli, die zu einer Erhöhung der [Ca2+]i führen. Sowohl eine hohe [Ca2+]ex, als auch Hyperforin führte zu einem deutlich erniedrigten Calcium-Einstrom in den Keratinozyten der Psoriasis-Patienten. Aus diesen Ergebnissen resultiert die Frage nach den Ursachen dieser Störungen. Da in dieser Arbeit bereits gezeigt werden konnte, dass Hyperforin und eine hohe [Ca2+]ex über TRPC-Kanäle die Ausdifferenzierung in Ketatinozyten beeinflussen, untersuchten wir die Expression von TRPC-Kanälen in Psoriasis-Keratinozyten. Es konnte gezeigt werden, dass die Expression aller TRPC-Kanäle signifikant erniedrigt war. Vor dem Hintergrund der wichtigen Rolle der TRPC-Kanäle für die Calcium-Homöostase und Ausdifferenzierung von epidermalen Zellen, ist dies durchaus eine denkbare und plausible Erklärung für die Defekte der Psoriasis-Keratinozyten. Weiterhin zeigten unsere Ergebnisse, dass der CaR in Psoriasis-Keratinozyten vermindert exprimiert wird. Da dem CaR eine wichtige Rolle in der Regulation der [Ca2+]i als Antwort auf eine Änderung der [Ca2+]ex zugeschrieben wird, könnte dies eine weitere mögliche Erklärung für die gefundenen Störungen der Psoriasis-Keratinozyten sein.
Die adoptive Immuntherapie mit hochaufgereinigten NK-Zellen bei pädiatrischen Patienten mit malignen Erkrankungen nach haploidenter SZT ist eine mögliche Therapieoption, um einen verstärkten GvL/GvT-Effekt zu bewirken und möglicherweise die Immunregeneration zu fördern. Als schwerwiegende Nebenwirkung ist bisher noch nicht eindeutig belegt, ob neben T-Zellen auch NK-Zellen in der Lage sind, eine GvHD auszulösen. In der Frankfurter Universitätskinderklinik wurden 7 Patienten (4xALL, 1xAML, 1xRMS IV und 1xM. Hodgkin) mit hochaufgereinigten unstimulierten NK-Zellen und 3 Patienten (3xNB IV) mit IL-2 stimulierten NK-Zellen nach haploidenter SZT behandelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde in vitro untersucht, ob NK-Zellen durch die Stimulierung mit IL-2 einen gesteigerten GvL/T-Effekt aufweisen. Es wurden NK-Zellen von 5 verschiedenen gesunden Spendern (2 im Rahmen von Validierungsläufen und 3 zur Behandlung der 3 Patienten mit NB) zunächst immunomagnetisch im klinischen Maßstab mittels CD3-Depletion und darauffolgender CD56-Selektion aufgereinigt. Danach erfolgte die Aktivierung mit IL-2 (Proleukin®S) über 14 Tage unter GMP. Während sich die NK-Zellen aller Spender nach Aufreinigung in eine kleine Population CD56+CD16- immunregulatorischer NK-Zellen (2,3 bis 7,1 %) und eine große Population zytotoxischer CD56+CD16+ NK-Zellen (92,9 bis 97,7 %) unterteilen ließen, zeigte sich nach IL-2 Stimulierung ein heterogenes Bild von CD16+ zu CD16- NK-Zellen. Durch die 9-tägige IL-2 Stimulierung vergrößerte sich der Anteil KIRnegativer NK-Zellen. Es konnte auf den NK-Zellen aller Spender gezeigt werden, dass durch die IL-2 Stimulierung wichtige Rezeptoren (NKG2D, NCR), die für ein hohes zytotoxisches Potential stehen, verstärkt auf der NK-Zelloberfläche exprimiert wurden. Die gesteigerte Zytokinproduktion der IL-2 stimulierten NK-Zellen untermauerte die Funktionalität der ex vivo stimulierten NK-Zellen und dies konnte in funktionalen Assays, die die zytotoxische Aktivität von NK-Zellen belegen, bewiesen werden. Durch die IL-2 Stimulierung der NK-Zellen konnte die Killing Aktivität gleichmäßig auf über 90 % gesteigert werden. Interessanterweise wies Spender A bei den funktionellen und phänotypischen Analysen eine Sonderrolle auf. Die NK-Zellen dieses Spenders zeigten bereits vor IL-2 Stimulierung eine hohe Zytotoxizität gegenüber malignen Zellen, welches auf eine Voraktivierung, gemessen an der Expression von Aktivierungsmarker CD69, schließen lässt. Die in vivo Untersuchungen zeigten, dass bei einer verabreichten T-Zell-Dosis unter 50 x 103/KG, nur milde GvHDs (Grad I/II) auftraten. Bis zu 60 x 106 NK-Zellen/KG wurden gut toleriert. Nebenwirkungen wie Fieber und Schüttelfrost waren transient und gingen einher mit erhöhten Zytokinspiegeln von inflammatorischen Zytokinen (IL-6, IL-8, IFN-γ) im Serum der Patienten. Ein engmaschiges Monitoring nach der NK-Zell-Applikation der IL-2 stimulierten NK-Zellen zeigte, dass die NK-Zellen in 5/6 Applikationen aus der peripheren Blutbahn abwanderten, einhergehend mit der Migration von Antigen-präsentierenden Zellen. Bei der Untersuchung des langfristigen Einflusses von adoptiver NK-Zell-Immuntherapie auf die Immunrekonstitution bei Patienten nach haploidenter SZT wurde vorausgehend eine Normwertstudie zu verschiedenen Leukozytensubpopulationen von 100 gesunden Kinder und Erwachsenen vorgenommen. Nach der Entwicklung eines stufenlosen, nicht-linearen Regressionsmodells konnte der Einfluss auf die Immunrekonstitution der Patienten nach SZT altersgerecht beurteilt werden. Weiterhin wurden Patientengruppen, die ebenfalls haploident transplantiert wurden, den NK-Zell-Studienpatienten gegenübergestellt. Eine signifikante Verbesserung durch die Gabe von NK-Zellen konnte nicht beobachtet werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass die NK-Zellzahl innerhalb des ersten Monats nach SZT Normwerte erreichte, gefolgt von den zytotoxischen CD3+CD8+ T-Zellen 5-6 Monate nach haploidenter SZT, den THelfer Zellen und den B-Zellen nach über einem Jahr nach haploidenter SZT. Die allogene additive NK-Zell-Immuntherapie ist eine vielversprechende Therapieoption bei Patienten mit malignen Erkrankungen wie bspw. dem NB. Die NK-Zell-Aktivierung mit IL-2 bewies den Erhalt der Immunkompetenz. Dies war erkennbar an der gesteigerten zytotoxischen Funktionalität, der Zytokinproduktion und der Hochregulierung von zytotoxisch aktiven Rezeptoren. Eine verbesserte Immunrekonstitution kann durch das neue altersgerechte Lymphozyten-Norm-Modell besser beurteilt werden. Allerdings ist die Patientenanzahl und die Beobachtungszeit bisher zu gering, um in vivo ein verbessertes Überleben mit additiver NK-Zell-Immuntherapie wirklich abschätzen zu können.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die möglichen positiven Effekte mediterraner Pflanzenextrakte auf oxidative Stress-Parameter im Gehirn zu untersuchen. Die Extrakte wurden im Rahmen eines EU-Projektes durch in vitro-Screenings aus einer Vielzahl, in Italien, Griechenland und Spanien gesammelten nicht-kulivierten Pflanzen, ausgesucht und hinsichtlich ihres Potentials verschiedene antioxidative Faktoren zu beeinflussen in einem in vivo-Mausmodell geprüft. Insgesamt sind 127 Pflanzen, die von der lokalen Bevölkerung mediterraner Länder traditionell verzehrt werden in 12 in vitro-Test untersucht worden. Darunter waren radikal- und Enzym-beeinflussende Tests und Versuchsansätze um antikanzerogene oder DNA-schädigende Eigenschaften zu überprüfen. Nach Auswahl von 12 potentiellen Extrakten für die Fütterungsexperimente, wurden auf Grund von weiteren Screenig-Tests wie z.B. das Potential der Extrakte eine Rigidisierung der Membranen oder Lipidperoxidation zu verhindern, die möglichen Kandidaten für die in vivo-Versuche weiter eingegrenzt. Zur Auswahl der drei Extrakte Reichardia picroides, Urospermum picroides und Thymus piperella kam es letztendlich durch die guten Ergebnisse in den Vorversuchen und durch den Ausschluss von ebenfalls positiven Extrakten, die toxische Eigenschaften im MTT-Test gezeigt hatten. Zur in vivo-Untersuchung der drei Extrakte wurden weibliche NMRI-Mäuse für drei Monate mit jeweils einem der Pflanzenextrakte gefüttert. Danach wurden sämtliche Parameter in jungen (6 Monate) und alten (21 Monate) NMRI-Mäusen untersucht, um altersbedingte Unterschiede hinsichtlich der Wirkung der Extrakte festzustellen. Zusammenfassend zeigen unsere Untersuchungen an Hirnhomogenaten und dissoziierten Neuronen von NMRI-Mäusen, dass es mit zunehmendem Alter zur Aktivierung verschiedener antioxidativer Abwehrmechanismen kommt. Diese dienen dazu ROS-Level auf einem möglichst unschädlichen Niveau zu halten. Hier spielen vor allem die erhöhten Enzym-Aktivitäten eine wichtige Rolle, die die reaktiven Spezies zu einem relativ frühen Zeitpunkt abfangen und so z.B. eine vermehrte Schädigung der Lipidmoleküle verhindern. Bei den in Fütterungsexperimenten untersuchten Extrakten handelte es sich um die mit Ethanol extrahierten Inhaltsstoffe aus den Pflanzen (Reichardia picroides, Urospermum picroides und Thymus piperella). Die drei Extrakte wiesen variierende Polyphenolgehalte und eine unterschiedliche Zusammensetzung ihre Inhaltsstoffe, die Flavonoide betreffend auf. Alle drei Pflanzenextrakte zeigten unterschiedlich starke Effekte auf die gemessenen Parameter und machten deutlich wie wenig eine positive Wirkweise von pflanzlicher Ernährung verallgemeinert werden kann. Die besten Ergebnisse zeigte dabei der Reichardia-Extrakt.
Die exzessive Bildung und Ablagerung von aggregiertem Amyloid beta-Peptid im Gehirn von Alzheimer Patienten wird allgemein als zentrales Ereignis im Rahmen des Neurodegenerationsprozesses der Alzheimer Demenz betrachtet. Der Amyloid-Stoffwechsel ist dabei in sehr vielfältiger Weise mit dem zellulären Cholesterol-Stoffwechsel verknüpft. Hohe Cholesterolspiegel in spezifischen Membrandomänen wie Lipid-Rafts forcieren sehr wahrscheinlich die zelluläre Produktion als auch die Fibrillogenese von Amyloid beta-Peptid. Umgekehrt schützt ein hoher Membrancholesterol-Gehalt aber auch vor den toxischen Effekten von aggregiertem Aß. Durch Modulation des Cholesterolgehalts von Hirnmembranen mit MßCD und seinen Cholesterol-Komplexverbindungen in vitro sowie mit Statinen in vivo konnten wir zeigen, daß beide Substanzklassen verschiedene membranäre Cholesterol-Pools beeinflussen, die gleichfalls an der Vermittlung zytotoxischer Amyloid- Effekte in unterschiedlicher Weise beteiligt sind. Wir konnten weiterhin erstmals nachweisen, daß sowohl hydrophile als auch lipophile Statine in vivo einen unmittelbaren Einfluß auf die zerebrale Membrancholesterol-Homöostase nehmen und dabei vermutlich membranäre Raft- Strukturen im exofacialen Membranblatt verändern, die favorisierte Orte der zellulären APP-Prozessierung bzw- Amyloidbildung sind. Aus diesem Wirkmechanismus leitet sich womöglich der für bestimmte Statine berichtete neuroprotektive Effekt bei AD in retrospektiven Humanstudien ab, der sich durch eine reine Cholesterolsenkung in spezifischen Bereichen des ZNS nicht erklären läßt. Ob einzelne Statine in ausreichender Konzentration direkt ins Gehirn vordringen und dort teilweise Isoprenoid-abhängige Signalkaskaden induzieren, oder ihre zentralen Effekte indirekt an der BHS vermitteln, ist unklar. Unsere Daten stützen nachhaltig die Hypothese, daß die sporadische Alzheimer Demenz vergleichbar der Niemann-Pick Typ C-Krankheit auf einer Dysregulation der zellulären Cholesterolverteilung beruht, die durch spezifische Risikofaktoren wie das Alter oder den apoE4-Genotyp gefördert wird. Substanzen, die gezielt in Mechanismen der fehlgesteuerten zellulären Lipid-Distribution und Kompartimentierung eingreifen, sind somit potentielle Wirkstoffe in der Therapie der Alzheimer Demenz.
In dieser Arbeit konnten die initialen Befunde bezüglich der potenten Serotoninaufnahmehemmung durch Johanniskrautextrakt mittels Radiorezeptorassay Methoden bestätigt werden. Es wurde gezeigt, daß die Phloroglucinole Hyperforin und Adhyperforin größtenteils für die Inhibierung der Serotoninaufnahme in Maushirn Synaptosomen verantwortlich sind. Die halbmaximalen Hemmkonstanten sind für beide Inhaltsstoffe identisch und liegen bei ca. 400 nM. Dagegen konnte nur bei einer weiteren relevanten Inhaltsstoffgruppe aus Hypericum perforatum, nämlich den OPCs, eine Hemmung der Serotoninaufnahme in Synaptosomen festgestellt werden. Wichtige Befunde konnten durch Ermittlung der Serotoninaufnahme in humanen Thrombozyten gewonnen werden. Vergleichende Untersuchungen von verschiedenen klassischen Antidepressiva und von Hyperforin an der Serotoninaufnahme in Thrombozyten und Synaptosomen zeigten jeweils identische halbmaximale Hemmkonstanten in beiden Systemen. Zum einen wurde durch diese Experimente erstmals eine Beeinflussung der Serotoninaufnahme durch Hyperforin in humanen Zellen nachgewiesen, und zum anderen konnte dadurch bestätigt werden, daß Thrombozyten als ein peripheres Modell der Serotoninaufnahme verwendet werden können. Eine nähere Charakterisierung des molekularen Wirkungsmechanismus der Serotoninaufnahmehemmung durch Hyperforin in Synaptosomen lieferte Hinweise darauf, daß Hyperforin einen von den klassischen Antidepressiva unterschiedlichen Mechanismus aufweist. Im Gegensatz zu den bekannten Antidepressiva zeigt Hyperforin nichtkompetitive Eigenschaften am Transportermolekül. Unterstützt wird diese Vermutung durch weitergehende Untersuchungen, bei denen die direkte Interaktion von Johanniskrautextrakt und Hyperforin mit SERT1 durch Ermittlung der Paroxetinbindung an Maushirnmembranen bestimmt wurde. Auch hier zeigt Hyperforin einen andersartigen Einfluß. Sämtliche klassischen Antidepressiva weisen eine sehr gute Korrelation zwischen der Hemmung der Paroxetinbindung und der Inhibition der Serotoninaufnahme mit nahezu identischen IC 50 Werten auf. Dagegen hat weder Johanniskrautextrakt noch Hyperforin einen erwähnenswerten Einfluß auf die Paroxetinbindung, was darauf schließen läßt, daß beide Substanzen nicht durch eine direkte Bindung an die Substratbindungsstelle des Serotonintransporters die Inhibition der Serotoninaufnahme induzieren. Ausgehend von diesen Befunden wurden weitere Parameter untersucht, welche für die Regulation der Serotoninaufnahme verantwortlich sind. Die wichtigste treibende Kraft für die Aktivierung und Aufrechterhaltung des Serotonintransportes ist der an der Plasmamembran bestehende Natriumgradient, so daß sich die weiteren Untersuchungen vor allem mit der Ermittlung der intrazellulären Natriumkonzentration nach Hyperforinzugabe befaßten. Während der SSRI Citalopram keinen Einfluß auf die intrazelluläre Natriumkonzentration in Thrombozyten ausübt, führt Hyperforin in einer konzentrationsabhängigen Art und Weise zu einer Erhöhung der intrazellulären Natriumkonzentration. Aufgrund dieser hyperforininduzierten Beeinflussung von [Na ] i und der daraus resultierenden Erniedrigung des Natriumgradienten an der Plasmamembran, läßt sich nicht nur die Hemmung der Serotoninaufnahme, sondern auch die Inhibierung der Aufnahme von Noradrenalin, Dopamin, GABA und LGlutamat erklären. Um die Ursache des Natriuminfluxes in das Thrombozytenzytosol zu ermitteln, wurden Vergleichssubstanzen herangezogen, die bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung von [Na ] i führen. Da durch diese Vergleichssubstanzen auch andere intrazelluläre Ionenkonzentrationen beeinflußt werden, wurden die Effekte von Hyperforin mittels Fluoreszenzspektroskopie auf diese Ionenkonzentrationen zusätzlich untersucht. Hyperforin verursacht in höheren Konzentrationen (10 µM) eine gravierende Erhöhung von [Ca 2 ] i und eine biphasische Beeinflussung des zytosolischen pHWertes mit initialer Ansäuerung und sekundärer Alkalisie rung des Zytosols. Es handelt sich hierbei größtenteils um einen Kalziuminflux aus dem Außenmedium und in geringerem Maße um eine Freisetzung von Kalzium aus intrazellulären Speichern. Niedrigere Hyperforinkonzentrationen von 0,33 µM führen zu einer konstanten intrazellulären Acidifizierung und einer konzentrationsabhängigen Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration. Eine Beteiligung des NHE kann weitgehend ausgeschlossen werden, da der pHEffekt nicht natriumabhängig ist. Die sekundäre Alkalisierung , die nach Zugabe von höheren Hyperforinkonzentrationen (10 µM) beobachtet wird, deutet auf die Aktivierung eines Mechanismus hin, der für die Aufrechterhaltung des intrazellulären pHWertes verantwortlich ist. Ein potentieller Kandidat könnte der natriumunabhängige Cl/HCO 3 Exchanger sein. Die Beeinflussung der [Na ] i und des pH i scheinen voneinander unabhängige Prozesse zu sein. Der Einstrom von Natrium und Kalziumionen läßt sich vermutlich über nichtselektive Kationenkanäle erklären, da beide hyperforininduzierten Effekte durch SK
Somsanit® (Natrium-γ-Hydroxybutyrat) wird schon seit vielen Jahren zur Langzeitsedierung von Intensivpatienten eingesetzt. Durch das Vorliegen als Natriumsalz, kann bei Langzeitanwendung oft schon nach wenigen Tagen eine Hyperatriämie auftreten, die zum Absetzen des Präparates führen kann. Um diesen Nachteil von Somsanit® zu überwinden, wurde von Dr. F. Köhler Chemie das Natrium-freie GHB-Analogon Butamidol (γ-Hydroxybuttersäure-Ethanolamid) entwickelt. In klinischen Studien zeigte Butamidol eine adäquate Sedierung von Intensivpatienten, besaß aber selbst in hohen Dosierungen keine narkotische Wirkung. GHB, welches auch physiologisch in Gehirn vorkommt, führt konzentrationsabhängig von einer tiefen Sedation bis hin zur Narkose. Aus der Literatur ist bekannt, dass beide GHB-Effekte durch einen Agonismus an GABAB-Rezeptoren ausgelöst werden. Die GHB-Konzentrationen die dafür benötigt werden, können aber nur durch exogen zugeführtes GHB erreicht werden. In physiologischen Konzentrationen bindet GHB an den GHB-Rezeptor, dessen Funktion bisher noch nicht eindeutig aufgeklärt werden konnte. Das Ziel dieser Arbeit war, die Affinität von Butamidol und GHB an den beiden Systemen GABAB- und GHB-Rezeptor zu untersuchen und mögliche Unterschiede aufzuklären. Im Radiorezeptor-Assay zeigte Butamidol eine geringere Affinität zum GABAB-Rezeptor als GHB (Butamidol: Ki = 399.5 mM; GHB: Ki = 10.6 mM) und eine agonistische Wirkung am GABAB-Rezeptor wurde, über die Hemmung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle in Synaptosomen, nur für GHB nachgewiesen. In der nachfolgenden Untersuchung der GABAB-Rezeptor Signaltransduktionskaskade wurden, durch die akute GHB-Gabe, die Phospho-ERK-Level im Hippocampus von Mäusen vermindert. Der gleiche Effekt wurde für die akute Behandlung mit dem GABAB-Agonisten Baclofen erhalten, aber nicht für Butamidol. In Experimenten zur Modulation des GABAergen Systems, durch die subchronische Behandlung von Mäusen mit GHB oder Butamidol, wurde nur nach GHB-Behandlung eine Steigerung des synaptosomalen GABA-Uptakes detektiert. Somit konnte eine Beeinflussung des GABAergen Systems durch Butamidol an mehreren möglichen Angriffspunkten ausgeschlossen werden. Als zweites in Frage kommendes Target für Butamidol wurde das GHB-System untersucht. In Radiorezeptor-Bindungs-Versuchen wurden zur Verdrängung des antagonistischen Radioliganden [3H]NCS-382 höhere Butamidol Konzentrationen benötigt, als zur Verdrängung des Agonisten [3H]GHB (Ki: 1296 vs. 452 μM). Ein vergleichbarer „Shift“ zu höheren Konzentrationen zeigte auch der „kalte“ Agonist GHB und nicht der „kalte“ Antagonist NCS-382 (GHB: Ki 3.10 vs. 1.41 μM; NCS-382: Ki 0.431 vs. 0.447 μM). In einer weiteren subchronischen Behandlungsstudie von Ratten mit Butamidol und GHB wurde für GHB eine Erniedrigung der Gesamt-Rezeptor-Population und für Butamidol eine Erhöhung des Anteils der Agonist-Bindungsstellen an der Gesamt-Rezeptor-Population erhalten. Dieses Ergebnis kann für GHB als Hinweis auf ein agonistisches und für Butamidol als partiell agonistisches Bindungsverhalten am GHB-Rezeptor interpretiert werden. Da im GHB-Radio-Rezeptor-Assay relativ hohe Butamidol Konzentrationen zur Verdrängung der Radioliganden eingesetzt werden mussten, wurden daran anschließend Untersuchungen zur klinischen Relevanz, der für die GHB-Rezeptor Bindung notwendigen Butamidol Konzentrationen, durchgeführt. In Behandlungsstudien von Mäusen, mit anschließender Bestimmung der Butamidol Plasma- und Hirnspiegel, wurde die Hirn/Plasma Ratio ermittelt. Aus der erhaltenen Hirn/Plasma Ratio und den aus klinischen Studien bekannten beim Menschen wirksamen Plasma-Spiegeln, lassen sich für Butamidol Hirnkonzentrationen von 200-350 μM extrapolieren, die im Konzentrationsbereich für die Bindung von Butamidol am GHB-Rezeptor liegen.
Es wurden Antidepressiva verschiedener Klassen bezüglich ihrer Hemmung von Pgp in zwei Zellsystemen mit einem Fluoreszenzfarbstoff (Calcein-AM) untersucht. Die untersuchten Substanzen zeigen alle in höheren Konzentrationen eine Hemmung von Pgp. Da diese Konzentrationen nach Applikation therapeutisch relevanter Dosen in-vivo nicht erreicht werden, lässt sich die These, dass ein Teil der antidepressiven Wirkung dieser Substanzen durch Normalisierung der HPA-Achse zu Stande kommt, durch die Ergebnisse dieser Arbeit nicht bestätigen. Weiterhin sollte untersucht werden, ob die Hemmung von Pgp eine Eigenschaft ist, die Antidepressiva von anderen zentral-wirksamen Substanzklassen unterscheidet. Ausgehend von der Annahme, dass die Hemmung von Pgp zur antidepressiven Wirksamkeit beiträgt, wäre die Schlussfolgerung naheliegend, dass andere Gruppen, wie z.B. Antipsychotika diese Eigenschaft nicht aufweisen. Daher wurden drei verschiedene Antipsychotika bezüglich der Modulation der Aktivität von Pgp im Calcein-AM Assay untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Antipsychotika ebenfalls Pgp in höheren Konzentrationen – ähnlich der hemmenden Konzentrationen von Antidepressiva - inhibieren. Von daher ist die Hemmung von Pgp keine substanzklassenabhängige Eigenschaft der Antidepressiva, sondern eher eine unspezifische Eigenschaft, die verschiedene ZNS-wirksame Wirkstoffklassen aufweisen. Des Weiteren wurde die Modulation der Expression von Pgp durch Antidepressiva untersucht. Denn beide Veränderungen, zum einen bezüglich der Aktivität von Pgp und zum anderen bezüglich der Expression von Pgp, können zu klinisch relevanten Arzneimittelinteraktionen führen. Der Hauptuntersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist Johanniskrautextrakt, daher wurde in-vitro der Extrakt selbst und die aus dem Calcein-Assay als potenteste Modulatoren anzusehenden Inhaltsstoffe bezüglich der Expression untersucht. Es konnte eindeutig gezeigt werden, dass der Extrakt selbst und auch Hyperforin die Expression von Pgp induzieren. Die Induktion durch Hyperforin entspricht der durch den Gesamtextrakt, so dass man sagen kann, dass Hyperforin der Inhaltsstoff von Johanniskrautextrakt ist, der die Expression von Pgp induziert. Diese Wirkung kommt über eine Aktivierung des PXR zu Stande, der seinerseits die Expression von Pgp moduliert. Hyperforin ist als starker PXR Ligand charakterisiert. Die Induktion konnte ebenfalls im Gehirn von Mäusen nach 14tägiger oraler Applikation von Johanniskrautextrakt gesehen werden. Für die Versuche bezüglich der Expression von Pgp im Gehirn von Mäusen und für das nächste Untersuchungsziel, die Untersuchung der Verteilung von Corticosteron in Mäusen, wurden Behandlungsstudien durchgeführt. Es wurden männliche, 2-3 Monate alte NMRI-Mäuse oral durch Schlundsondierung mit den entsprechenden Substanzen behandelt. Es wurden akute (einmalige Applikation und Tötung der Tiere 1h später) und subchronische (14tägige Applikation, Tötung an Tag 15) Studien durchgeführt. Es sollte überprüft werden, ob Antidepressiva die Verteilung von Glucocorticoiden im Körper (Gehirn/Plasma) modulieren können. Diesbezüglich wurde der Effekt von Johanniskrautextrakt, Mirtazapin, Amitriptylin und Fluoxetin nach akuter Einmalgabe und nach subchronischer 14tägiger oraler Applikation der Substanzen untersucht. Amitriptylin zeigt keinen Effekt auf die Konzentration und/oder Verteilung von Corticosteron, weder nach akuter noch nach subchronischer Gabe. Fluoxetin erhöht die Corticosteronlevel in Gehirn und Plasma sowohl nach Einmalgabe als auch nach subchronischer Applikation signifikant. Mirtazapin erhöht akut ebenfalls Corticosteron in Gehirn und Plasma, nach subchronischer Applikation nivelliert sich dieser Effekt jedoch wieder. Nach 14tägiger Gabe ist kein signifikanter Unterschied mehr zur Kontrolle zu erkennen. Johanniskrautextrakt verhält sich ähnlich wie Fluoxetin. Es erhöht im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle Corticosteron in Plasma und Gehirn sowohl nach akuter als auch nach subchronischer Applikation. Keine der untersuchten Substanzen verschiebt die Verteilung von Corticosteron zwischen Gehirn und Plasma im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle. Die Konzentration von Corticosteron im Körper wird über 5-HT2 Rezeptoren gesteuert. Indirekte Agonisten wie Fluoxetin und Johanniskrautextrakt erhöhen sie, Antagonisten wie Mirtazapin und Amitriptylin verändern sie nicht. Zusammenfassend kann man bezüglich des Hauptuntersuchungsgegenstandes Johanniskrautextrakt sagen, dass der Extrakt selbst, Hyperforin und Quercetin in der Lage sind, die Transportaktivität von Pgp konzentrationsabhängig zu modulieren. Nach längerer Inkubation induziert der Extrakt durch die Wirkung von Hyperforin als PXR-Aktivator die Expression von Pgp. Darüber hinaus verändert Johanniskrautextrakt die Corticosteronausschüttung bei Mäusen, die oral mit dem Extrakt behandelt wurden, ohne die Verteilung zwischen Gehirn und Plasma zu verändern.
