Aus dem Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Medizinischen Fakultät
Charité Universitätsmedizin Berlin

Dissertation

Die Rolle der Quinonoxidoreduktase bei der Progression des neuronalen Zelltodes und Charakterisierung endogener neuroprotektive Systeme

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)

Charité Universitätsmedizin Berlin

von Ulrike Susanne Harms
aus Berlin

Dekan: Prof. Dr. med. M. Paul

Gutachter:
1. Prof. Dr. med. H. Hörtnagl
2. Prof. Dr. med. H. Lassmann
3. Priv.-Doz. Dr. med. T. Grune

eingereicht: 16.10.2005

Datum der Promotion: 13.02.2006

Zusammenfassung

In unseren Studien charakterisierten wir neuroprotektive Mechanismen in verschiedenen in vitro und in vivo Modellen für neuronalen Zelltod. Unser Interesse galt Faktoren aus drei Komplexen, die an der Steuerung zellulärer Vitalität teilhaben.

Im Mittelpunkt stand die Untersuchung eines Enzyms des antioxidativen Systems und dessen Einfluss auf den Verlauf neuronaler Schädigung - die kontrovers diskutierte NAD(P)H:Quinonoxidoreduktase (NQO1). Das Aufdecken von Veränderungen der Aktivität, Expression und Lokalisation der NQO1 in Nervenzellen nach unterschiedlichen Modellen der Zellschädigung sollte uns Einblick in dessen Wirkungsweise im Prozess des neuronalen Zelltods geben. Weiterhin beschäftigten wir uns mit hormonellen neuroprotektiven Mechanismen. Das Steroidormon 17 β-Estradiol zeigte in früheren Untersuchungen schützende Eigenschaften nach ischämischem Hirninfarkt. Unterschiedlich wurde dessen Wirkung auf den Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen, wie der Alzheimer’schen Erkrankung bewertet. Wir wollten wissen, ob 17 β-Estradiol in apoptotischen Modellen neuroprotektiv wirkt und welche Rezeptoren und Mechanismen involviert sind. Die Rolle des Zytoskelett bildete den dritten Bereich unserer Studien zur Neuroprotektion. Uns interessierte, welchen Einfluss das zytoskelettmodulierende Protein Gelsolin auf neuronale Apoptose nimmt.

Wir arbeiteten mit primären neuronalen Kulturen der Ratte und der Maus sowie mit einem Schlaganfallmodell der Maus in vivo. Neuronaler Zelltod wurde in vitro mittels Ethyl-Cholin-Aziridinium (AF64A), einem Induktor eines verzögerten apoptotischen Zelltodes, sowie mit Sauerstoff-Glukose-Deprivation (OGD) induziert.

Die Ergebnisse zeigen bei beiden in vitro-Neurodegenerationsmodellen einen Anstieg der Aktivität der NQO1 mit unterschiedlichen kinetischen Verläufen. Die Hemmung der NQO1 mit den Inhibitoren Dicumarol, Cibacron-Blau oder Chrysin (1-100 nM) schützte die Neuronen gegen die durch AF64A oder OGD ausgelöste Schädigung. In einem fokalen Ischämiemodell der Maus konnte durch intrazerebroventrikuläre Applikation von Dicumarol (30 nM) eine Reduktion des Infarktvolumens um 29% erreicht werden. Hingegen kam es nach chemisch induziertem NQO1-Aktivitätsanstieg durch t-Butylhydroquinon (TBHQ) in vitro zur Verstärkung des experimentell gesetzten neuronalen Schadens. Daher stützen unsere Daten die These, dass eine Aktivierung der NQO1 den Prozess des neuronalen Zelltodes potenziert

Das Hormon 17 β-Estradiol zeigte einen protektiven Einfluß im AF64A-Modell vorallem in neuronalen Kulturen des Septums und Hippokampus’, hingegen nicht des Kortex. Diese regional unterschiedliche Wirkung konnte mit einer stärkeren Expression des α-Estrogenrezeptors in Hippokampus und Septum um ca. 50% bzw. 70% im Vergleich zu der im Kortex in Zusammenhang gebracht werden. Die dominierende Rolle des α-Estrogenrezeptors über Aktivierung des Phosphoinositol (PI)-3-Kinasewegs konnte durch Versuche, in denen die PI-3-Kinase gehemmt wurde, bewiesen werden.

Gelsolin (gsn) entfaltet seine antiapoptotische Wirkung über die Depolymerisation des Aktins. Gsn / -Neuronen zeigten eine verstärkte Vulnerabilität und erhöhte Caspase-3-Aktivität nach apoptotischer Schädigung. Eine vergleichbar protektive Wirkung, wie die des endogenen Gelsolins, konnten wir durch pharmakologische Aktin-Depolymerisation in den Knockout-Kulturen erzielen. Wir vermuten eine Hemmung der Caspase-3-Aktivität durch endogenes Gelsolin als wichtigen neuroprotektiven Mechanismus.

Aus klinischer Sicht könnte vorallem die schützende Wirkung von Dicumarol auf Nervenzellen durch Hemmung der NQO1 besonders im Hinblick auf die breite Anwendung der Cumarine bei der begleitenden Therapie von thrombembolischen Ereignissen, wie dem ischämischen Schlaganfall sowie bestimmter kardiovaskulärer Erkrankungen von großer praktischer Bedeutung sein. Die regionalen Unterschiede des neuroprotektiven Effekts von 17 β-Estradiol lassen erwarten, dass eine mögliche Behandlung bestehender kortikaler Erkrankungen, wie beispielsweise des Morbus Alzheimer, mit Estrogenen aufgrund der geringen kortikalen Expression des Estrogenrezeptors-α nicht zielführend ist.

Abstract

In our studies we characterized different neuroprotective mechanism by in vitro and in vivo models of neuronal cell death. We were interested in factors of three different complexes wich play a role in cellulare vitality. In the centre of our studies there was an antioxidative enzyme and his role in the neuronal cell death-the NAD(P)H:quinone oxidoreductase1. We have investigated in the activity, expression and localisation of this enzyme after neuronal damage. We could show that this enzyme can exacerbate neuronal cell death.

Another point of our work were the steroid hormon 17ß-Estradiol and the neuroprotective character in neurodegeneration. We discovered different expression of the two ß estradiol-receptors alpha and beta in brain caused in different protective potential to cortical, septal and hippocampal structures by the hormon. The cytoskletal protein gelsolin was the third part of the studies. We could show that the modulation of the cytoskelett were involved in the progression of cell death after cellulare damage.

Eigene Schlagworte: Apoptose, Gehirn, Dicumarol, NAD(P)H:Quinone-Oxidoreduktase, zerebrale Ischämie, Estradiol, Gelsolin, oxidativer Stress

Keywords: apoptosis, brain, dicoumarol, NAD(P)H:quinone oxidoreductase, ischemic stroke, estradiol, gelsolin, oxidative stress

Inhaltsverzeichnis



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27.03.2006