1 Einleitung

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Die Zahl der Übergewichtigen nimmt trotz eines gewachsenen Ernährungsbewußtseins weiter zu. So ist in Deutschland die Hälfte der Bevölkerung übergewichtig (BMI ≥ 25 kg/m2), jeder sechste ist adipös (BMI ≥ 30 kg/m2), knapp 1% sogar morbid adipös (BMI ≥ 40 kg/m2) (1). Liegt der Anteil des Fettgewebes bei Schlanken bei ca. 20% der Körpermasse, so kann dieser bei einem morbid Adipösen bis zu 50% ausmachen (2). Eine Zunahme der Fettgewebsmasse wird aufgrund der metabolischen und endokrinen Eigenschaften des Fettgewebes als entscheidender Promotor für die Ausbildung der adipositas-assoziierten Folgeerkrankungen, wie z.B. Hypertonie und Diabetes mellitus, angesehen.

Das Fettgewebe dient in erster Linie der Speicherung von Energie in Form von Triacylglyceriden. Änderungen in der Fettmasse bedingen Änderungen im Fettaufbau (Lipogenese) bzw. Fettabbau (Lipolyse). Das sympathische Nervensystem mit den Transmittern Noradrenalin und Adrenalin ist der wichtigste Stimulator der Lipolyse, der bedeutendste Inhibitor ist das Insulin (2, Abb.1). Daneben können zahlreiche lokale, vom Fettgewebe selbst synthetisierte und freigesetzte Signalmoleküle den Fettstoffwechsel beeinflussen (3). Zu diesen sezernierten Molekülen gehört das Angiotensin II (4). Im Fettgewebe von Nagern fördert Angiotensin II die neuronale Freisetzung von Noradrenalin bzw. hemmt seine Wiederaufnahme (5). Der lokale Fettgewebsstoffwechsel ist weiterhin von der Gewebedurchblutung abhängig (6). Die Durchblutung im Fettgewebe wird wiederum durch die Zellularität des Fettgewebes bestimmt (7).

Neben dem Fettgewebe kann auch der Skelettmuskel Triacylglyceride zur Deckung seines Energiebedarfs, speziell bei Belastung, speichern (8). Andererseits wird eine vermehrte intramuskuläre Speicherung von Triacylglyceriden bei Adipösen als begünstigender Faktor für die Entwicklung der Insulinresistenz diskutiert (9)

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Abb. 1: Regulation der Lipolyse im humanen Fettgewebe. α2-AR: α2-Adrenozeptor, β1,2,3: β1,2,3-Adrenozeptoren, Gi: inhibierendes G-Protein, Gs: stimulierendes G-Protein, cAMP: 3´, 5´-cyclo Adenosinmonophosphat, cGMP: 3´, 5´-cyclo Guanosin- monophosphat, PDE-3B: Phosphodiesterase 3B, PKA: Proteinkinase A, PKG: Proteinkinase G, FFS: freie Fettsäuren, HSL: Hormonsensitive Lipase, TG: Triacylglyceride. Modifiziert nach Stich und Berlan 2004.

Für viele der adipositas-assoziierten Erkrankungen gibt es heute geeignete Tiermodelle (10). Die aus diesen Modellen gewonnenen Erkenntnisse sind aber nicht immer unmittelbar auf den Menschen übertragbar. So ist die hormonelle und neuronale Stoffwechselregulation im Fettgewebe stark spezies-abhängig. Im Fettgewebe von Nagern hat z.B. Noradrenalin eine stärkere Bedeutung für die Regulation der Lipolyse als Adrenalin, während beim Menschen beide Katecholamine equipotent sind (11). Auch zeigt die Regulation der Genexpression verschiedener Komponenten des Renin-Angiotensin-Systems im Fettgewebe deutliche Unterschiede zwischen Mensch und Nagern (12)

Ziel der Arbeit war, die lokale Kontrolle des Stoffwechsels und der Durchblutung durch das sympathische Nervensystem und das von Adipocyten synthetisierte Angiotensin II im humanen Fettgewebe näher zu charakterisieren. Zudem sollte der Einfluß der Zellularität des Fettgewebes geprüft werden.

1.1 Fettstoffwechsel und sympathisches Nervensystem

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Das sympathische Nervensystem reguliert die Lipolyse im Fettgewebe über die beiden Transmitter Noradrenalin und Adrenalin. Noradrenalin ist dabei als klassischer Neurotransmitter, Adrenalin eher als Neurohormon anzusehen (11).

Noradrenalin und Adrenalin werden aus der der Zirkulation entstammenden Aminosäure Tyrosin über die Verbindungen Dihydroxyphenylalanin (DOPA) und Dihydroxyphenylamin (Dopamin) synthetisiert (Abb. 2;13).

Dopamin fungiert aber auch selbst als Neurotransmitter und wirkt über Adrenozeptoren oder spezifische Dopamin-Rezeptoren. Noradrenalin wird in den postganglionären sympathischen Neuronen synthetisiert und in deren chromaffiner Granula gespeichert. Adrenalin wird in den chromaffinen Zellen des Nebennierenmarks synthetisiert und gespeichert. Beide Transmitter werden nach entsprechenden Reizen durch Exocytose freigesetzt: Noradrenalin direkt in den synaptischen Spalt, Adrenalin zunächst direkt in die Zirkulation.

Noradrenalin bindet postsynaptisch an adrenerge Rezeptoren (Adrenozeptoren), die sowohl an den Adipocyten als auch an den Blutgefäßen des Fettgewebes lokalisiert sind (14). Im Fettgewebe existieren α1- und α2- sowie β1-, β2- und β3-Adrenozeptor-Subtypen (15,16).Im Vergleich zum viszeralen Fettgewebe ist die Expression des β3-Adrenozeptors im subkutanen deutlich geringer (17,18)

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Über die β-Adrenozeptoren wird die Lipolyse stimuliert und die Durchblutung erhöht, über den α2-Adrenozeptor wird die Lipolyse gehemmt und die Durchblutung erniedrigt (14). Die β-Adrenozeptoren wirken über Adenylatcyclase stimulierende, der α2-Adrenozeptor über Adenylatcyclase inhibierende G-Proteine. Die Adenylatcyclase generiert cAMP, das die Proteinkinase A aktiviert, die wiederum die hormonsensitive Lipase stimuliert.

Abb. 2: : Neuronale Synthese, Freisetzung und Wiederaufnahme von Noradrenalin. DOPA: Dihydroxyphenylalanin, Dopamin: Dihydroxyphenylamin, α1,2: α1,2 -Adrenozeptor, β1,2: β1,2 -Adrenozeptor, MAO: Monoaminoxidase (Weitere Erklärungen siehe Text).

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Die aktivierte Lipase hydrolysiert Triacylglycerol in Glycerol und freie Fettsäuren. Der α1-Adrenozeptor ist nicht mit dem Adenylatcyclasesystem verbunden. Über den α1-Adrenozeptor wird die Glucose-Aufnahme in den Adipocyten sowie die Bildung von Lactat stimuliert (19,14)

Die Freisetzung von Noradrenalin wird u.a. über die Bindung von Noradrenalin an präsynaptische α2-Adrenozeptoren moduliert. Hauptsächlich wird die Wirkung von Noradrenalin durch Wiederaufnahme in das präsynaptische Neuron durch den Noradrenalin-Transporter beendet (Abb. 2; 13). Etwa 70 bis 90 % des Noradrenalins werden durch diesen Mechanismus aus dem synaptischen Spalt eliminiert, wobei der größte Teil durch die Monoaminoxidase abgebaut wird. Ein kleinerer Teil wird in die präsynaptischen Vesikel aufgenommen und kann erneut freigesetzt werden.

Somit wird die adrenerge Antwort im Fettgewebe einerseits durch Faktoren der präsynaptischen Ebene (Freisetzung und Wiederaufnahme von Noradrenalin), andererseits durch Faktoren der postsynaptischen Ebene (Anzahl bzw. Verteilung und Aktivität der verschiedenen Adrenozeptor-Subtypen, Unterschiede auf der Postrezeptor-Ebene) bestimmt. So ist z.B. die Verteilung der Adrenozeptor-Subtypen spezies-, geschlechts- und altersspezifisch und zudem abhängig von der Lokalisation und Masse des Fettgewebes (20,21,14)

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Die physiologische Bedeutung des Noradrenalin-Transporters für die Regulation des Fettgewebsstoffwechsels ist bisher unklar (22). Im zentralen Nervensystem dient der Noradrenalin-Transporter als Bindungsort für psychoaktive endogene Substanzen sowie auch Antidepressiva (23). Er besteht aus 617 Aminosäuren mit zwölf transmembranären Domänen und funktioniert als Kanal für Noradrenalin (24). In-vivo Studien weisen auf eine hormonelle Modulation durch Schilddrüsen- und Wachstumshormone sowie Insulin hin (25,26). Im Tiermodell wurde die Expression und Funktion des Noradrenalin-Transporters in verschiedenen Gebieten des zentralen Nervensystems durch Testosteron, Östrogen und Progesteron beeinflußt (27, 28). Geschlechtshormone könnten daher auch beim Menschen zu Unterschieden in der Noradrenalin-Transporter-Aktivität führen. So deutet die Häufigkeit der Orthostatischen Intoleranz, einer Erkrankung des sympathischen Nervensystems, auf geschlechtsspezifische Unterschiede in der neuronalen Noradrenalin-Wiederaufnahme hin. Diese Erkrankung, die mit einer erniedrigten Noradrenalin-Clearance einhergeht, tritt hauptsächlich bei jungen Frauen im gebärfähigen Alter auf, so daß die Aktivität des Noradrenalin-Transporters bei Frauen möglicherweise niedriger als bei Männern ist (29, 30).

1.2 Fettstoffwechsel und Renin-Angiotensin-System

Das weiße Fettgewebe exprimiert alle Komponenten des Renin-Angiotensin-Systems. Angiotensinogen wird durch Renin in Angiotensin I umgewandelt, welches durch ACE in die aktive Form, das Angiotensin II, umgebaut wird (31). Das renale Renin-Angiotensin-System ist an der Regulation des Blutdrucks sowie der Wasser- und Elektrolyt-Homöostase beteiligt. Die Existenz extra-renaler, lokaler Renin-Angiotensin-Systeme im Fettgewebe aber auch in der Skelettmuskulatur könnte einerseits eine lokale, andererseits aber auch eine systemische Bedeutung für die Regulation wichtiger Stoffwechselwege haben (4,32).

Angiotensin II bindet an zwei strukturell und pharmakologisch unterschiedliche Rezeptor-Subtypen, den AT1-und AT2-Rezeptor (31). Der AT1-Rezeptor gehört ebenso wie die Adrenozeptoren zu den G-Protein-gekoppelten Transmembranrezeptoren. Die Bindung von Angiotensin II an den AT1-Rezeptor führt zur Aktivierung eines Gi-Proteins, wodurch in glatten Muskelzellen, Nieren und Hepatozyten die Adenylatcyclase inaktiviert wird. Die meisten der bekannten Wirkungen von Angiotensin II werden über den AT1-Rezeptorvermittelt. Der AT2-Rezeptorbeeinflußt wahrscheinlich Zelldifferenzierung und –wachstum (31, 33).

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Das Fettgewebe ist aufgrund der Bildung beider AT-Rezeptor-Subtypen auch selbst das Ziel des lokal gebildeten Angiotensin II (34). Über einen längeren Zeitraum systemisch infundiertes Angiotensin II vermindert bei Ratten blutdruck-unabhängig das Körpergewicht und die Fettge- websmasse, wobei die Abnahme des Körpergewichtes durch einen AT1-Antagonisten verhindert wurde (35,36,37). AT1-Rezeptoren sind jedoch nicht nur auf der Adipocytenmembran lokalisiert, sondern auch an den präsynaptischen Nervenendigungen (38,39). Im braunen Fettgewebe induziert Angiotensin II die Freisetzung von Noradrenalin und hemmt seine Wiederaufnahme in die freisetzenden Neurone (39). Somit scheint eine funktionelle Wechselwirkung zwischen Angiotensin II und dem Noradrenalin-Transporter zu bestehen. Tatsächlich erhöht die in-vivo Applikation von Angiotensin II innerhalb von 7 bis 12 Tagen die lipolytische Aktivität über die Freisetzung von Noradrenalin im Fettgewebe von Nagern (40; Abb.3). Die akute Applikation von Angiotensin II hat dagegen zumindest im Tiermodell weder in-vitro noch in-vivo einen Einfluß auf die basale oder adrenozeptor-stimulierte Lipolyse (41,42,43)

Abb. 3: Mögliche Signalkaskaden, über die Angiotensin II die Lipolyse im humanen Fettgewebe beeinflussen könnte. AGT: Angiotensinogen, Ang I und II: Angiotensin I und II, α2: präsynaptischer α2 -Adrenozeptor, β1: postsynaptischer β1 -Adrenozeptor, AT1: Angiotensin II -Rezeptor Typ 1, ANP: Atriales natriuretisches Peptid, cGMP: 3´, 5´-cyclo Guanosinmonophosphat, AC: Adenylatcyclase (Weitere Erläuterungen siehe Text).

Im Gegensatz zu den genannten Befunden induziert Angiotensin in humanen Adipocyten und Präadipocyten von Nagern (3T3-L1 Zell-Linie) die Lipogenese in-vitro (44). Die Aktivierung geht mit einer gesteigerten Aktivität und Expression lipogener Schlüsselenzyme (Glycerophosphat-Dehydrogenase und Fettsäure-Synthase) einher. In Einklang mit dieser Studie führt die Einnahme eines ACE-Hemmers sowohl beim Menschen als auch im Tiermodell zu einem Gewichtsverlust (45,46). Möglicherweise hat Angiotensin II auf die Lipolyse im humanen Fettgewebe einen inhibitorischen Effekt, beispielsweise über die Hemmung der Adenylatcyclase (31, Abb.3). Neuere Studien zeigen, daß ANP die Lipolyse über den cGMP-Synthese-Weg stimuliert (47). Angiotensin II inhibiert in einigen Zelltypen die ANP-stimulierte cGMP-Synthese, so daß Angiotensin II auf diesem Weg indirekt die Lipolyse im Fettgewebe vermindern könnte (47).

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Im Tiermodell wird adipocytär gebildetes AGT in die systemische Zirkulation sezerniert (12). Beim Menschen ist die Expression der Gene des Renin-Angiotensin-Systems im Fettgewebe adipöser Hypertoniker gesteigert, wodurch vermutlich vermehrt Angiotensin II im Fettgewebe gebildet und in die Zirkulation freigesetzt wird (12). Interessanterweise verbessert der AT1-Antagonist Valsartan die Insulinresistenz und Glucoseaufnahme im Skelettmuskel diabetischer Mäuse über eine Stimulation der Insulinkaskade und Erhöhung der GLUT4-Rezeptoren (48). Die Blockade des RAS mittels ACE-Hemmer oder Angiotensin II-Rezeptor-Antagonisten mindert das Risiko für die Entwicklung eines Typ 2-Diabetes (49). Dies ist möglicherweise auf eine verbesserte Mikrozirkulation im Skelettmuskel (und damit verbesserte Glucoseaufnahme) sowie auf eine verminderte intramuskuläre Speicherung von Lipiden zurückzuführen.

1.3 Fettstoffwechsel und Hautfaltendicke

Das Fettgewebe ist stark vaskularisiert, das Verhältnis aus Blut- und Zytoplasmavolumen ist im Fettgewebe beispielsweise sogar höher als in der quergestreiften Muskulatur (50). Die Mikrozirkulation des Fettgewebes nimmt innerhalb des vaskulären Systems eine Sonderstellung ein, da dieses Gewebe zeitlebens Wachstumskapazitäten besitzt.

Morphologisch läßt sich das Fettgewebswachstum dabei nach der Adipocytenzahl und Adipocytengröße in eine hyperplastische und in eine hypertrophe Form einteilen (51). Ein hyperplastischer Fettge- websanstieg geht mit einer vermehrten Anzahl an Adipocyten einher, die Größe der Zellen bleibt gleich. Diese Form der Fettvermehrung entwickelt sich meist schon in der Kindheit. Bei nicht-adipösen Erwachsenen ist dagegen eine Zunahme des subkutanen abdominalen Fettgewebes mit einer Hypertrophie verbunden (52). Eine Hypertrophie ist durch eine Adipocytenvergrößerung gekennzeichnet (>130 µm), die Zahl der Adipocyten bleibt jedoch unverändert (51). Eine schwere Adipositas ist das Ergebnis sowohl hypertrophen als auch hyperplastischen Fettgewebswachstums (52).

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Am Tiermodell konnte gezeigt werden, daß sich die Gewebedurchblutung in Herz, Lunge, Niere und anderen Organen dem ansteigenden Organgewicht anpaßt (53). Die Durchblutung unterschied sich in diesen Organen zwischen adipösen und normalgewichtigen Tieren nicht. Interessanterweise war jedoch die Durchblutung im Fettgewebe (je Gramm Gewebe) bei den adipösen Tieren im Vergleich zu den normalgewichtigen Kontrollen signifikant niedriger. In einem anderen Tiermodell konnte direkt nachgewiesen werden, daß der vaskuläre Widerstand mit zunehmender Adipocytengröße ansteigt (7). Auch die Durchblutung im Fettgewebe von Adipösen ist im Vergleich zu schlanken Kontrollgruppen deutlich geringer (54,55,56,57). Die Fähigkeit des Fettgewebes, die Vaskularität an eine veränderte Fettmasse anzupassen, scheint zumindest zum Teil begrenzt zu sein.

Eine angemessene Durchblutung eines Gewebes ist für die Funktion des entsprechenden Organs essentiell. Geht eine Hypertrophie der Zellen nicht mit einer adaptierenden Kapillarisierung des entsprechenden Gewebes einher, kann dies zu einer Fehlfunktion des Organs führen. Ein Beispiel hierfür ist die kardiale Hypertrophie mit arterieller Hypertonie (58). Dabei ist die ansteigende Myozytenmasse nur unzureichend von einem kapillaren Wachstum begleitet, woraus eine kardiale Dysfunktion folgen kann.

Ein schwacher bis moderater Anstieg des Körperfettgehaltes ist beim Menschen mit einer Hypertrophie des Fettgewebes verbunden (52). Im Tierexperiment verhält sich die Adipocytengröße umgekehrt proportional zum Ausmaß der Durchblutung im Fettgewebe (7).Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, daß die Größe der Adipocyten positiv mit der Zahl der α2-Adrenozeptoren korreliert (14). Daher könnte sich die relative Durchblutung bereits im Fettgewebe von Normalgewichtigen unabhängig vom BMI mit zunehmender subkutaner Fettschicht vermindern und als Folge der Lipidstoffwechsel negativ beeinflußt werden.

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Der Body Mass Index, BMI (Körpermasse in kg / [Körperhöhe in m]2), ist ein international weitverbreitetes Maß für die Klassifikation einer Adipositas (51). Der BMI berücksichtigt jedoch die Fettverteilung nur ungenügend. Bei der Hautfaltendickenmessung kann die Stärke des subkutanen Fettgewebes mit Hilfe eines Calipers bestimmt und so die Dicke sowie das Verteilungsmuster der subkutanen Fettschicht erfaßt werden (59).

1.4 Hypothesen

Die Lipolyse im Fettgewebe wird durch unterschiedliche Faktoren beeinflußt:

Wichtigster Stimulator der Lipolyse im Fettgewebe des Menschen ist das sympathische Nervensystem. Im Gegensatz zur postsynaptischen Ebene ist jedoch über den Einfluß präsynaptischer Faktoren, insbesondere der lokalen Noradrenalinfreisetzung, auf die lokale Lipolyse im Fettgewebe wenig bekannt. Studien am Tiermodell sowie zur Orthostatischen Intoleranz lassen vermuten, daß die Noradrenalinfreisetzung im Fettgewebe geschlechtsabhängig reguliert wird.

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Von besonderer Bedeutung war die Entdeckung, daß das Fettgewebe nicht nur eine Speicherfunktion besitzt, sondern in der Lage ist, Signalmoleküle, wie das Angiotensin II, zu synthetisieren und freizusetzen. Tierexperimentelle Studien weisen darauf hin, daß Angiotensin II auch auf den lokalen Fettstoffgewebswechsel des Menschen wirken könnte. Es wäre zudem denkbar, daß Angiotensin II im Fettgewebe geschlechtsabhängige Effekte auf die Lipolyse zeigt, da Sexualhormone das Renin-Angiotensin-System beeinflussen (60).

Die lokale Durchblutung ist ein wichtiger Parameter in der Regulation der Lipolyse im Fettgewebe und muß demzufolge bei der Untersuchung vasoaktiver Substanzen, wie Noradrenalin und Angiotensin II, berücksichtigt werden. Die Durchblutung hängt wiederum in hohem Maße von der Zellularität des Gewebes ab.

Mit dieser Arbeit sollten folgende Hypothesen geprüft werden:

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Zur Überprüfung von Hypothese 1 und 2 am Fettgewebe (primär Energie speichernd) werden vergleichende Untersuchungen am Skelettmuskel (primär Energie verbrauchend) als Referenzgewebe durchgeführt. Beide Gewebe spielen eine Schlüsselrolle bei der adipositas-assoziierten Entwicklung einer Insulinresistenz.

Als Untersuchungsmethode kommt die Mikrodialyse-Technik zur An- wendung, da sie die simultane in-vivo Untersuchung verschiedener Regulationsebenen, einschließlich der Hämodynamik, an einfach zugänglichen Organen wie Fettgewebe und Muskel erlaubt (61,62). Durch Messung geeigneter Marker-Metabolite lassen sich Veränderungen im Organstoffwechsel bestimmen, Änderungen in der Durchblutung werden über die Ethanol-Dilutions-Technik abgeschätzt.

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Die Charakterisierung der Funktion post-ganglionärer Neurone im Fettgewebe erfolgt mittels Tyramin, einem indirekten Sympathomimetikum, das die Noradrenalinfreisetzung aus den adrenergen Nervenendigungen stimuliert (13,63). In Fettgewebe und Skelettmuskulatur der Ratte wurde die lokale Applikation von Tyramin mittels Mikrodialysesonde bereits erfolgreich eingesetzt, sie führte zu einem ca. 10-fachen Anstieg der interstitiellen Noradrenalin-Konzentration in den Geweben (64). In der vorliegenden Arbeit soll dieser Ansatz erstmals klinisch angewendet werden. Aufgrund des Neuigkeitswertes dieser Prüfung gilt es, zusätzlich folgende Hypothesen zu testen:

Die Wirkung des Tyramins wird mit den bekannten Effekten von Isoproterenol, einem direkten Sympathikomimetikum, verglichen, das postsynaptisch an β-adrenerge Rezeptoren im Fettgewebe bindet (14,16,65,66).


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20.07.2006