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1.  EINLEITUNG

Aktueller Wissensstand

1.1 Vitamin E

Funktion als Antioxidans

Vitamin E ist der Oberbegriff für eine Gruppe von lipophilen Antioxidantien, von denen besonders das α-Tocopherol von Bedeutung ist. Diese sind in der Lage, durch Reaktion mit organischen Peroxylradikalen Reaktionsketten zu unterbrechen und damit Lipide vor der oxidativen Schädigung zu schützen. Dies gilt insbesondere für mehrfach ungesättigte Fettsäuren in Zellmembranen und Lipoproteinen [1,2].

Klinische Bedeutung

Da die Lipid-Peroxidation in Low Density Lipoproteinen (LDL) als erster Schritt in der Pathogenese der Atherosklerose angesehen wird, wurde in zahlreichen Studien untersucht, ob Vitamin E die Entstehung von atherosklerotischen Läsionen verhindern kann und so vorbeugend gegen Herzinfarkt und andere kardiovaskuläre Erkrankungen wirkt. Obwohl einige die antiatherogene Wirkung besonders in vitro bestätigen konnten, ist ein gefäßprotektiver Effekt von Vitamin E in vivobis heute umstritten [3,4,5,6].

Nicht antioxidative Funktionen

Zusätzlich zu seinem antioxidativen Potential besitzt α-Tocopherol auch davon unabhängige, spezifische Funktionen innerhalb der Zelle. So inhibiert es die Protein-Kinase C (PKC)[7], ein wichtiges Enzym für Signaltransduktion innerhalb der Zelle, wodurch verschiedene Zellmembranrezeptoren (u.a. Scavenger Receptor B I) moduliert werden [8], die Proliferation von glatten Muskelzellen der Gefäßwand [9] oder auch die Thrombozytenaggregation [10] und die Bildung intraarterieller Thromben [11] gehemmt wird. Außerdem reguliert es die Expression verschiedener Gene (α-Tropomyosin, CD 36, α-Tocopherol Transport Protein) [12,13]. Die wachsende Zahl bekannter nicht-antioxidativer Funktionen von α-Tocopherol und seine hochspezifische Aufnahme im Körper deuten darauf hin, daß es sich nicht nur um ein hoch potentes Antioxidans, [Seite 7↓]sondern auch um ein wichtiges regulatorisches Molekül für verschiedene Zellfunktionen handelt [14].

Stoffwechsel

Der tägliche Bedarf an Vitamin E wird auf 15 mg geschätzt, mit gewöhnlicher Nahrung jedoch kaum gedeckt [15]. Nach der Aufnahme im Darm, die die Anwesenheit von Gallensäuren voraussetzt, werden die Tocopherole in Chylomikronen zur Leber transportiert. Da das α-Tocopherol-Transport-Protein der Hepatozyten eine vielfach höhere Affinität zu α-Tocopherol als zu seinen Stereoisomeren hat, findet hier eine Selektion zu Gunsten der α-Form statt. Im Blutplasma wird das Vitamin E ausschließlich in Lipoproteinen transportiert. Hierfür sind besonders Low Density Lipoproteine und High Density Lipoproteine (HDL) von Bedeutung [16,17,18].

Zelluläre Aufnahme

Die Hauptwege der Aufnahme von α-Tocopherol in die Zelle sind zum einen die rezeptorvermittelte Endocytose am LDL-Rezeptor, zum anderen der Selective Lipid Transfer über den spezifischen HDL-Rezeptor Scavenger Receptor B I (SR-BI). Bei diesem Mechanismus werden Lipide in die Zelle aufgenommen, ohne daß das gesamte Lipoprotein-Partikel internalisiert wird [19,20].

1.2 Cholesterol

Funktion und Stoffwechsel

Das Cholesterol ist ein essentieller Bestandteil der Zellmembran, wo es eine stabilisierende Wirkung auf spezifische Membranstrukturen hat, aber auch an der Signaltransduktion beteiligt ist. Außerdem dient es als Substrat für die Synthese von Gallensäuren in der Leber, von Steroidhormonen in endokrinen Geweben (Nebenniere, Ovar und Hoden) und Vitamin D in der Haut.

Täglich wird ca. 1 g Cholesterol in Form von Gallensäuren ausgeschieden. Da bei durchschnittlicher Ernährung nur ca. 0,3 g mit der Nahrung aufgenommen werden, entsteht der Großteil des Cholesterols durch de novo –Synthese in den Zellen [21,22,23].

[Seite 8↓]Reverser Cholesterol Transport

Überschüssiges Cholesterol wird durch HDL aus peripheren Geweben abtransportiert; hiervon wird der Großteil durch die Lecithin-Cholesterol-Acyltransferase in Cholesterylester umgewandelt [24,25]. Mit den HDL gelangt das Cholesterol in Steroidhormon-produzierende Zellen zur Synthese oder Speicherung, und in die Leber, wo es in die Galle ausgeschieden, in Gallensäuren umgewandelt oder mit Very Low Density Lipoproteinen (VLDL) sezerniert wird [26,27,28,29]

Dieser Weg wird als Reverser Cholesterol Transport bezeichnet [30] und als wichtiger Mechanismus zur Erklärung für den antiatherogenen Effekt des HDL-Cholesterol angesehen [31,32,33].

Cholesterolhomöostase der Zelle

Da Cholesterol ein unentbehrlicher Bestandteil der Zellmembran ist, in hohen Konzentrationen aber toxisch wirkt, ist seine zelluläre Konzentration in engen Grenzen reguliert. Dies geschieht über eine Vielzahl von Mechanismen, die bisher noch nicht vollständig geklärt werden konnten. Am besten untersucht ist die Kontrolle der Cholesterol-Biosynthese im endoplasmatischen Reticulum (ER): Dort befinden sich membrangebundene Transkriptionsfaktoren, die Sterol Regulatory Element Binding Proteins (SREBP). Bei sinkender Cholesterolkonzentration bewegt sich ein Komplex aus SREBP und dem Co-Faktor SREBP Cleavage Activating Protein aus dem ER in den Golgi-Apparat, wo SREBP durch zwei proteolytische Spaltungen aktiviert wird. Darauf hin aktiviert es im Zellkern Gene, deren Proteine für die Cholesterolsynthese und –aufnahme zuständig sind [23,34,35].

Da menschliche Zellen das Cholesterol enzymatisch nicht vollständig abbauen können, geschieht seine Elimination hauptsächlich durch Efflux aus der Zellmembran in extrazelluläre Akzeptorpartikel. Davon kommt dem HDL die größte Bedeutung zu, das im Reversen Cholesterol Transport das Cholesterol der Leber zuführt, wo es in Gallensäuren umgewandelt und in den Verdauungstrakt ausgeschieden wird [21,36].

Veränderung des zellulären Cholesterolgehalts mit Methyl-β-Cyclodextrin

Um den Cholesterolgehalt von Zellen für experimentelle Zwecke zu manipulieren, eignen sich die Cyclodextrine, zyklische Polysaccharide, die in Lösung der Zelle Cholesterol entziehen. Mischt man Methyl-β-Cyclodextrin (M-β-CD) mit freiem Cholesterol in einem definiertem Verhältnis, bilden sich Cyclodextrin-Cholesterol-Komplexe, die bei der Inkubation mit isolierten Zellen eine Erhöhung des zellulären Cholesterols bewirken können [37].


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1.3 Scavenger Receptor B I

Eigenschaften

Der SR-BI ist der einzige bislang charakterisierte Rezeptor für High Density Lipoproteine [38]. Seine Bezeichnung als Scavenger Rezeptor erhielt er wegen der Fähigkeit, acetylierte Low Density Lipoproteine zu binden [39]; er gehört zur Proteinfamilie des CD 36, mit dem er eine große Homologie aufweist. Das SR-BI-Molekül ist stark glykosyliert und wandert in der SDS-Gel-Elektrophorese bei ungefähr 82 kD [40].

In den meisten Zelltypen ist der Rezeptor in Caveolae lokalisiert, cholesterol- und sphingomyelinreichen Mikrodomänen innerhalb der Zellmembran, die für verschiedene Signaltransduktionsprozesse von Bedeutung sind. Morphologisch sind Caveolae 50-100 nm große flaschenförmige Invaginationen der Plasmamembran, die durch das Protein Caveolin-1 gekennzeichnet sind [39,41,42,43].

Selective Lipid Transfer

Selective Lipid Transfer oder Selective Lipid Uptake 1 ist ein Prozess, in dem Lipide aus Lipoproteinen in die Zelle aufgenommen werden, ohne daß es zur Endocytose und zum Abbau des Lipoprotein-Partikels kommt. Die Arbeiten von Gwynne [44], Pittma [29,45] und der Gruppe von Reaven und Azhar [46,47] aus den letzten 20 Jahren haben gezeigt, daß die selektive Aufnahme der Hauptweg der Cholesterylester-Aufnahme in der Leber und steroidproduzierenden Zellen in vitro und in vivo ist. Dieses gilt außer für Nagetiere auch für menschliche Hepatozyten und HepG2-Karzinomzellen [48,49] sowie für ovarielle Granulosazellen [50].

Erst viele Jahre nach der Erstbeschreibung des Selective Lipid Transfer konnte gezeigt werden, daß dieser Mechanismus durch SR-BI vermittelt wird [51,52].

Funktionen des SR-BI

Zusätzlich zur Aufnahme von Cholesterylestern stimuliert SR-BI den bidirektionalen Fluß von freiem Cholesterol zwischen HDL und Zellen [53,54,55], also sowohl die zelluläre Aufnahme, als auch den Efflux von Cholesterol aus der Zelle in HDL als Akzeptorpartikel. Die Rate des Cholesterol-Efflux korreliert dabei gut mit der Expression von SR-BI. Damit ist SR-BI an meh[Seite 10↓]reren Schritten des Reversen Cholesterol-Transports beteiligt (Cholesterolefflux zu HDL-Akzeptorpartikeln in peripheren Zellen, selektive Cholesterolaufnahme aus HDL in der Leber).

Ferner vermittelt SR-BI den Selective Lipid Transfer von Phospholipiden [56] , Vitamin E [57,58] und von Triglyceriden [59] in verschiedene Zellen.

In zahlreichen neueren Studien ist mit Hilfe von Manipulation des SR-BI-Gens (Überexpression durch Transfektion, gezielte Mutation zur Ausschaltung des Gens) der enge Zusammenhang zwischen der Expression von SR-BI und dem HDL- und Cholesterol-Stoffwechsel gezeigt worden [60]. So ist die Überexpression von SR-BI in der Leber mit erniedrigten HDL-Cholesterolspiegeln im Plasma sowie erhöhter Cholesterolausscheidung in die Gallenflüssigkeit verbunden [61,62,63,64,65]. Dagegen weisen SR-BI-Knockout-Mäuse und Mäuse mit erniedrigter SR-BI-Expression erhöhte HDL-Cholesterol-Konzentrationen [66,67] und erniedrigte Cholesterolausscheidung in die Gallenflüssigkeit auf.

Regulation der SR-BI-Expression

In Steroidhormon-produzierenden Geweben unterliegt SR-BI einer Regulation durch Adrenocorticotropes Hormon (ACTH) über den cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat)-Protein Kinase-A-Weg [68,69].

Der Zusammenhang zwischen dem zellulären Cholesterolgehalt und der SR-BI-Expression ist bislang unklar: Wan fanden eine Erhöhung der SR-BI-mRNA in der Nebenniere von Mäusen mit stark reduziertem zellulärem und plasmatischem Cholesterolgehalt [70], während eine Folgearbeit zu dem Schluß kam, daß die SR-BI-Expression in der Nebenniere relativ unempfindlich gegenüber Veränderungen des Gewebe- und Plasmacholesterols ist [71]. In Rattenleber führten eine Östradiol-induzierte Senkung des Plasmacholesterols, aber auch eine cholesterolreiche Spezialdiät zu einer deutlichen Erniedrigung der SR-BI-Expression und der selektiven Cholesterylester-Aufnahme, während in Kupffer´schen Zellen ein genau entgegengesetzter Effekt festzustellen war [69,72].

Eindeutiger ist der Einfluß von Vitamin E auf die SR-BI-Expression: Wit konnten zeigen, daß Vitamin-E-arme Ernährung die SR-BI-Expression stark erhöht, während Inkubation von HepG2-Zellen mit α-Tocopherol-angreicherten HDL zu einer Erniedrigung des SR-BI führte [73].

Pathophysiologische Bedeutung

Aus Experimenten mit SR-BI-Knockout(KO)-Mäusen resultierte, daß mit der fehlenden Expression von SR-BI eine Reihe von pathologischen Veränderungen assoziiert sein können. Weibliche SR-BI-KO-Mäuse sind unfruchtbar – ihre Oozyten sind dysfunktionell und daraus entstandene [Seite 11↓]Embryonen nicht überlebensfähig [74], was vermutlich auf den gestörten Lipoproteinstoffwechsel zurückzuführen ist [75].

Außerdem neigen SR-BI-KO-Mäuse vermehrt zu Atherosklerose, wenn sie mit cholesterol- und fettreicher Nahrung gefüttert werden [76]. Die Vermutung, daß SR-BI-Expression vor Atherogenese schützt, wird durch Studien an mehreren Mausmodellen für Atherosklerose mit veränderter SR-BI-Expression gestützt: SR-BI-ApoE-Doppel-Knockout(dKO)-Mäuse und cholesterol- und fettreich ernährte LDL-Rezeptor-KO-Mäuse entwickeln frühzeitig koronare Herzkrankheit mit Herzinsuffizienz sowie multiple Herzinfarkte und haben eine verkürzte Lebenszeit [74,77,78,79]. Dagegen reduziert die hepatische Überexpression von SR-BI das Ausmaß der Atherosklerose in verschiedenen Mausmodellen [80,81,82]. Diese gefäßprotektive Eigenschaft könnte neben der Schlüsselposition von SR-BI im Reversen Cholesterol-Transport unter anderem auch auf seine Bedeutung für die Vitamin-E-Aufnahme zurückzuführen sein [78,83,84].

Auch wird ein Zusammenhang zwischen der Entstehung von Cholesterol-Gallensteinen und SR-BI-Expression diskutiert, jedoch gibt es bislang keine eindeutigen Anhaltspunkte für eine lithogene Wirkung von SR-BI [85,86,87].


Fußnoten und Endnoten

1 Selective Lipid Uptake engl. = selektive Lipidaufnahme



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25.11.2004