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1  Einleitung

1.1 Funktion und Stoffwechsel der Typ-II-Pneumozyten

Typ-II-Pneumozyten sind funktionell wichtige Zellen in den Alveolen der Lunge, deren Hauptaufgabe in der Produktion und bedarfsgerechten Sekretion des alveolären Surfactant besteht. Des Weiteren verhindern sie die Entstehung eines Alveolarödems durch aktiven Transport von Natrium-Ionen aus dem Alveolarraum und sind an lokalen immunologischen Reaktionen beteiligt. Darüber hinaus können sie zu Typ-I-Pneumozyten differenzieren und somit das Alveolarepithel regenerieren (van Golde 1994, Creuwels 1997).

Abbildung 1.1 Stoffwechsel der Typ-II-Zellen nach van Golde et al. (1994) und Creuwels et al. (1997).

Im endoplasmatischen Retikulum der Typ-II-Zellen werden die Surfactantlipide synthetisiert, zusammen mit spezifischen Proteinen über den Golgi-Apparat in die sog. Lamellarkörperchen (LB) transportiert und dort als zellulärer Surfactant gespeichert. Auf verschiedene sekretorische Reize werden die LB in den Alveolarraum sezerniert und bilden dort das tubuläre Myelin (TM), aus dem der oberflächenaktiven Surfactantfilm an der Luft-Wasser-Grenze entsteht (Abbildung 1.1). Bis zu 85% des Surfactant wird von den Typ-II-Zellen als Endosomen wieder aufgenommen und recycelt, nur ein geringer Teil wird von Makrophagen phagozytiert. Insgesamt beträgt der Turnover der Surfactantlipide etwa 5-10h (van Golde 1994, Creuwels 1997).


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1.2  Zusammensetzung und Funktion des Surfactants

1929 stellt von Neergaard fest, dass ein dreimal höherer Druck notwendig ist, um die Lunge mit Luft statt mit Flüssigkeit zu füllen, und folgert daraus, dass die Alveolen durch eine Substanz stabilisiert werden, die die hohe Oberflächenspannung an der Luft-Wasser-Fläche vermindert (von Neergaard 1929). Aber erst ab 1955 werden diese Ergebnisse mit einem hohen Phospholipidgehalt der Lunge in Zusammenhang gebracht, was schließlich zu der Entdeckung des Surfactants (Abkürzung für: Surface Active Agent) führte. Tabelle 1.1 zeigt die prozentuale Zusammensetzung des Surfactant.

Tabelle 1.1 Zusammensetzung des Surfactants [in Gewichtsprozent]

 

Lipide

 

90%

 

 

Phospholipide

83%

 

  

Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC)

36%

  
  

Ungesättigtes Phosphatidylcholin (PC)

32%

  
  

Phosphatidylglycerol (PG)

8%

  
  

Phosphatidylethanolamin (PE)

3%

  
  

Phosphatidylinositol (PI)

2%

  
  

Sphingomyelin (SM)

2%

  
  

Lyso-Bis-Phosphatidsäure

1%

  
  

Cholesterin

15%

 
  

Neutralfette

2%

 

Proteine

 

10%

nach Rüstow und Nakagawa (1988), Creuwels et al. (1997) und Goerke (1998).

Surfactant besteht hauptsächlich aus Lipiden und zu 10% aus Proteinen. Fast 90% der Surfactantlipide sind Phospholipide, wobei das oberflächenwirksames Dipalmitoyl­phosphatidylcholin (DPPC) kennzeichnend ist. Über 30% sind ungesättigte Phospholipide, die die Fluidiät des Surfactants bei Körpertemperatur erhöhen und so die Adsorption des Surfactants an die alveoläre Oberfläche erleichtern (Bangham 1987, van Golde 1994). Das wichtigste neutrale Lipid des Surfactants ist Cholesterin, welches die Fluidität der DPPC-angereicherten Lipidphasen erhöht und die Ausbreitung der Surfactantschicht an der Luft-Wasser-Grenze erst ermöglicht (Fleming 1988).


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Abbildung 1.2 PC-Synthese (nach Haagsman und van Golde 1985, Alberts 1997).

[LINK to link] zeigt schematisch die Synthese von PC: Aus Glukose entsteht sn-Glycerol-3-phosphat (G3P), das dann mit zwei Fettsäuren zu Phosphatidsäure (PA) azyliert wird, die wiederum wird von Phosphatidsäure-Phosphatase zu Diacylglycerol (DAG) dephosphoryliert. Im letzten Schritt der PC-Synthese reagiert DAG mit CDP-Cholin, das durch die Cholin-Phosphotransferase (CPT) katalysiert wird. Neben der de novo Synthese kann DPPC aus ungesättigtem PC über De- und Reacylierung der ungesättigten Fettsäure in sn-2-Stellung am Glycerol entstehen.

Surfactant bildet eine unspezifische Barriere gegen die Adhäsion von Keimen und wirkt immunmodulierend sowohl anti- als auch proinflammatorisch. Die Hauptaufgabe des alveolären Surfactant ist jedoch die Reduktion der Oberflächenspannung in den Alveolen der Lunge, wodurch der endexpiratorische Kollaps der Alveolen verhindert und die Atemarbeit um ein Vielfaches vermindert wird. Da die Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Größe der Alveolen gesenkt wird, ermöglicht der Surfactant die Belüftung unterschiedlich großer Alveolen (van Golde 1994, Goerke 1998).


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Ist der Surfactantgehalt der Lunge vermindert, erhöht sich somit die alveoläre Oberflächen­spannung, was zu Atelektasen führen kann. Durch die gestörte Blut-Luft-Schranke können im sog. „Capillary Leak Syndrome“ Proteine und Plasma in den Alveolarraum übertreten und so ein alveoläres Lungenödem verursachen. Atelektasen und Ödem führen durch ein erhöhtes Shuntvolumen der Lunge zur Hypoxämie und zur respiratorischen Azidose. Davon sind insbesondere Frühgeborene betroffen, deren unreife Typ-II-Zellen nur unzureichend Surfactant produzieren: Der Sauerstoffgehalt im arteriellen Blut kann dann postpartal soweit sinken, dass es zum Infant Respiratory Distress Syndrome (IRDS) kommt und die Kinder beatmungspflichtig werden (Weis 1996). Die Beatmung dieser Kinder reduziert zwar die akute Hypoxämie, führt aber durch die Sauerstoffbelastung zu erhöhtem oxidativen Stress und zu weiteren Lungenschädigung.

1.3  Oxidativer Stress und freie Radikale

Oxidativer Stress ist definiert als die Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Oxidantien und Antioxidantien zu Gunsten der Oxidantien (Halliwell 1990, Sies 1991, Sies 1993). Als Ursache kommt demnach sowohl eine vermehrte Belastung mit Oxidantien, z.B. bei Beatmung mit hohen inspiratorischen Sauerstoffkonzentrationen, als auch die Verminderung der Konzentration von Antioxidantien (s.a. Kapitel 1.1) in Frage (Junod 1989). Oxidativer Stress führt im weiteren zu Lipidperoxidation, Proteinschäden und DNA-Strangbrüchen (s.a. Kapitel 1.1).

Bei oxidativem Stress spielen die freien Radikale, d.h. Atome oder Moleküle, die ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzen, eine wichtige Rolle. Die freien Radikale des Sauer­stoffs und seiner Verbindungen werden zusammen mit nicht radikalischen, aber sehr reaktiven Sauerstoffverbindungen als Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bezeichnet. Die wichtigsten ROS sind in Tabelle 1.2 aufgelistet.

Sauerstoff (O2) ist insofern ein ungewöhnliches Molekül, als es zwei ungepaarte Elektronen besitzt und deshalb auch als Biradikal bezeichnet wird. Da Elektronen von O2 bevorzugt nacheinander akzeptiert werden, führt dies beim Sauerstoffmolekül zur Entstehung von ROS wie H2O2 und •O2 (Ames 1993, Sanders 1999).


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Tabelle 1.2: Wichtige Reaktive Sauerstoffspezies (ROS)

Spezies

Name

Halbwertszeit

•O2

Superoxidanionradikal

- (enzymatischer Abbau)

H2O2

Wasserstoffperoxid

- (enzymatischer Abbau)

•OH

Hydroxlradikal

10-9s

•RO

Alkoxylradikal

10-6s

•ROO

Alkyldioxylradikal

7s

ROOH

Alkylhydroperoxid

-

O3

Ozon

-

1O2

Singulettsauerstoff

10-5s

•NO

Nitritoxidradikal

1-10s

nach Sies (1993).

Langlebigere ROS wie •O2 oder H2O2 schädigen die Zelle nicht nur am Entstehungsort, sondern diffundieren in andere Zellen und generieren auch dort aggressivere Radikale wie •OH, die dann wichtige Zellstrukturen oxidieren können (Halliwell 1990, Sies 1993).

Das besonders reaktive •OH entsteht in der Fenton-Haber-Weiss-Reaktion durch Katalyse von freien Eisen- oder Kupfer-Ionen aus •O2 und H2O2 ([LINK to link] ), freie Eisen- und Kupfer-Ionen wirken daher prooxidativ:

Abbildung 1.3 Fenton-Haber-Weiss-Reaktion (nach Kappus 1985, Halliwell 1990).

Von den 1012 Sauerstoffmolekülen, die eine Rattenzelle täglich verbraucht, werden unter physiologischen Bedingungen 2% zu ROS; die ROS-Produktion menschlicher Zellen wird auf ein Zehntel, immerhin 2×109 ROS-Moleküle pro Tag und Zelle, geschätzt (Ames 1993, Sanders 1999). Diese ROS entstehen z.B. als Nebenprodukt in der Atmungskette, in den Peroxisomen der Zellen, im Cytochrom-P450-System und in Phagozyten im Rahmen der Immunantwort.


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1.4  Antioxidantien in biologischen Systemen

Antioxidantien sind Stoffe, die in vergleichsweise niedrigen Konzentrationen die Oxidation eines Substrates verhindern oder vermindern können (Halliwell 1990, Sies 1993, Gille 1992). Antioxidantien im engeren Sinne interagieren direkt mit den ROS, aber auch Coeruloplasmin, Transferrin und Ferritin wirken als Antioxidantien, indem sie freie Kupfer- bzw. Eisen-Ionen binden und die Metallkatalyse der Fenton-Haber-Weiss-Reaktion unterbinden (Prävention). Darüber hinaus tragen auch verschiedene zelluläre Reparatursysteme zur antioxidativen Abwehr bei (Kappus 1985).

Tabelle 1.3 Wichtige Antioxidantien in biologischen Systemen

System

Beispiele

Nicht enzymatisch

α-Tocopherol (Vitamin E), ß-Carotin (Vitamin A), Ubichinon,
Urat, Bilirubin, Ascorbat (Vitamin C), Glutathion (GSH)

 

Plasmaproteine (Albumin, Coeruloplasmin etc.)

Enzymatisch (direkt)

Superoxiddismutasen (SOD), Catalase

 

Glutathionperoxidasen (GPx)

Enzymatisch (indirekt)

Konjugationsenzyme (Glutathion-S-Transferase etc.)

 

NADPH-Oxidoreduktase, NADPH (Pentosephosphatweg)

 

Glutathionreduktase (GR)

Reparatursysteme

DNA-Reparatur

 

Turnover oxidierter Proteine und PL

nach Sies (1993).

Die antioxidative Abwehr kann durch die Kombination von lipid- und wasserlöslichen Antioxidantien verstärkt werden: Z.B. können ein bis drei Moleküle Vitamin E, die in der Lipidphase der Lipoproteine bzw. in der Membranstruktur der Zellen lokalisiert sind, tausend Moleküle ungesättigter Fettsäuren vor Peroxidation schützen. Das lipophile Vitamin E wird dabei selbst zum Radikal, hydrophile Antioxidantien wie Ascorbat und Glutathion regenerieren dann Vitamin E, so dass das freie Radikal-Elektron aus der Lipidphase oder aus der Zellmembran entfernt und an Substanzen des Blutplasmas abgegeben wird (Sies 1993).


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Das häufigste Phospholipid des Surfactants, DPPC, ist wegen seiner zwei gesättigten Fett­säuren relativ unempfindlich gegen oxidative Schädigung, andererseits enthält der Surfactant fast eben so viele ungesättigte Phospholipid-Spezies wie DPPC und das funktionell wichtige, leicht oxidierbare Cholesterin als Substrate der Lipidperoxidation (Tabelle 1.1). Im alveolaren Surfactantmonolayer sind die Phospholipide darüber hinaus so angeordnet, dass die aliphatischen Ketten ihrer Fettsäuren zur Luftphase des Alveolarraum orientiert sind; sie sollten deshalb besonders anfällig für eine Schädigung durch Oxidantien in der Atemluft sein.

Zum Schutz vor oxidativem Stress enthält der Surfactant verschiedene Antioxidantien (Halliwell 1990), so z.B. Glutathion (GSH) als das wichtigste wasserlösliche Antioxidanz: GSH und alle Enzyme des Glutathionsystems werden durch die Zellen aktiv in den alveolären Surfactant transportiert (Brown 1992, Jenkinson 1988). Da der alveoläre Surfactant zu ca. 90% aus Lipiden besteht, ist anzunehmen, dass vor allem die lipophilen Antioxidantien am antioxidativen Potential der Lunge beteiligt sind. Vitamin E, das wichtigste lipophile Anti­oxidanz des Surfactants, wird von Typ-II-Zellen aus dem Blut, bevorzugt aus High Density Lipoproteinen (HDL), aufgenommen und mit den Surfactantlipiden in den Alveolarraum sezerniert (Rüstow 1993, Kolleck 1999). Auch die Lipidperoxid-abbauenden Enzyme Phos­pholipase A2 (PLA2) und PAF-Acetylhydrolase (PAF-AH) werden aktiv in den Surfactant transportiert (Stremmler 1989, Triggiani 1997). Des Weiteren findet man im Surfactant geringe Mengen von Plasmalogenen, den Etheranaloga des PC und PE (Rüstow 1994). Es wird vermutet, dass sie eine antioxidative Funktion haben, da ihre Etherbindung leicht oxidierbar ist und sie so andere, funktionell wichtige Strukturen vor Oxidation schützen können (Zoeller 1988, Halliwell 1990, Sies 1993).

Typ-II-Zellen selbst haben ebenfalls einen hohes antioxidatives Potential und sind deshalb relativ resistent gegenüber oxidativer Schädigung, insbesondere zeigen sie eine hohe Aktivität der antioxidativen Enzyme Catalase und SOD (Crapo 1980). Zudem entfernen Typ-II-Zellen geschädigten Surfactant aus dem Alveolarraum und regenieren ihn. Kommt es zu einer ver­mehrten oxidativen Belastung der Lunge z. B. durch Hyperoxie, können Typ-II-Zellen den Turnover des Antioxidanz Vitamin E kompensatorisch so erhöhen, dass die Konzentration der ungesättigten Fettsäuren, der Plasmalogene und des Cholesterins – möglichen Substraten einer Oxidation – unverändert bleibt (Tölle 1997).


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1.5  Medizinische Bedeutung des oxidativen Stress

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) haben große Bedeutung in der Pathophysiologie verschie­dener Erkrankungen; es gibt auch die Auffassung, dass an allen Krankheiten Radikale in irgendeiner Form ursächlich beteiligt sind. Sehr gut untersucht ist z.B. die Mitwirkung von ROS bei der Entstehung der Arteriosklerose: Die Oxidation von LDL-Lipiden und des Apo­lipoproteins führt zur unkontrollierten Aufnahme von oxidiertem LDL durch Makrophagen, die dabei zu sog. Schaumzellen werden und die Bildung von arteriosklerotischen Gefäß­plaques einleiten. Als Oxidantien für LDL werden u.a. aktivierte Leukozyten und die bei Diabetes mellitus entstehenden Endiol-Tautomere von Zuckern diskutiert. Kardiovaskuläre arteriosklerotische Erkrankungen sind mit erniedrigten Plasmaspiegeln von ß-Carotenen, Ascorbat und α-Tocopherol assoziiert (Ames 1993, Elstner 1995).

Viele bekannte Karzinogene wirken als Radikalgeneratoren, am bekanntesten sind wohl die Radikale im Zigarettenrauch, die zu einem vielfach erhöhtem Krebsrisiko führen. Ungefähr eines von tausend Teilchen im Zigarettenrauch ist in der Lage, Makromoleküle zu oxidieren (Ames 1993). Dies führt zu einer erhöhten Konzentration von Antioxidantien in der Broncho­alveolären Lavage (BAL) von Rauchern, so ist z.B. ihr Glutathion-Spiegel in der BAL mehr als doppelt so hoch wie der von Nichtrauchern. Durch die oxidative Belastung des Zigaretten­rauches nimmt auch die Anzahl der inflammatorischen Zellen in der BAL stark zu (Buhl 1995).

ROS spielen zudem eine Rolle bei der Entzündungsreaktion, da sie z.B. aktivierte Leukozyten im sog. „Oxidative Burst“ verschiedene ROS produzieren: Superoxidanionen (•O2 ) über die membranständige NADPH-Oxidase, hypochlorige Säure (HOCl) durch die Myeloperoxidase sowie H2O2 und NO• (Ames 1993). Auch die bei der Entzündungsreaktion wichtige Cyclo­oxygenase produziert im Rahmen der Prostaglandinsynthese radikale Zwischenstufen (Choi 1996). Diese Radikale wirken bakterizid, sind aber bei chronischer Entzündung für Gewebs­schädigungen wie Emphysem und Arthritiden verantwortlich (Elstner 1995).

In der Lunge finden sich erhöhte Konzentrationen von freien Sauerstoffradikalen bei der pulmonalen Fibrose, beim Asthma bronchiale sowie bei den chronisch-obstruktiven Lungen­erkrankungen (Haagsman 1985, Choi 1996). Des Weiteren wird den ROS-induzierten Ver­änderungen ein wichtige Rolle bei der Pathogenese des akuten Lungenversagens (ARDS) zugesprochen.


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Frühgeborene sind besonders anfällig für oxidativen Stress, da sie im Vergleich zu Erwach­senen niedrigere Konzentrationen von Antioxidantien aufweisen; so findet man z.B. ver­minderte Transferrin- und Coeruloplasminspiegel im Blutplasma mit entsprechend erhöhten Konzentrationen von freiem Hämoglobin und Fe2+. Die Aktivität der antioxidativen Enzyme Catalase, SOD und Glutathionperoxidase ist verringert und der Vitamin-C- und -E-Gehalt im Gewebe, z.B. der Lunge, niedriger als bei Erwachsenen (Frank 1987, Moison 1995). 50-80% der Frühgeborenen mit einem Gestationsalter von 28 Wochen bilden postpartal ein Surfactant­mangelsyndrom aus, im Alter von 28-30 Wochen sind es immer noch 30-50%. Müssen Frühgeborene dann aufgrund eines IRDS beatmet werden, bedeutet das eine erhöhte oxidative Belastung für den unreifen Organismus, es kommt zur Aktivierung inflammatorischer Zellen und damit zu neuem Sauerstoffstress. Durch Epitheldefekte treten Plasmaproteine in den Alveolarraum über, was zur Bildung von hyalinen Membranen, zur Entstehung eines Lungen­ödem und zur weiteren Inaktivierung der oberflächenwirksamen Eigenschaften der Surfactantlipide kommen (Weis 1996). Die Beatmungsdrücke und –frequenzen müssen zunehmend erhöht werden und verursachen weitere Schädigungen (Barotrauma; s.a. Abbildung 1.4). Schwerwiegende Spätfolgen können die Bronchopulmonale Dysplasie (BPD), Enzephalopathien oder die Retinopathia praematurorum mit einer retrolentaler Fibroplasie sein, die zusammen als „Oxygen Radical Diseases of the Premature“ bezeichnet werden (Kohlschütter 1995, Böhles 1997).

Abbildung 1.4 Pathogenese des neonatalen Atemnotsyndroms nach Wauer (1993).


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1.6  Lipidperoxidation

Sauerstoff ist in lipophilen Medien ca. sieben- bis achtmal löslicher als in Wasser, Lipide sind daher besonders von oxidativem Stress betroffen (Payne 1995). ROS lösen bei der Lipidper­oxidation eine Radikalkettenreaktion aus, wodurch wird die Struktur der Membran zerstört, ihre Fluidität vermindert und die Permeabilität z.B. für Kalzium-Ionen erhöht (Halliwell 1993, Kappus 1985).

Abbildung 1.5 zeigt schematisch den Verlauf der Kettenreaktion bei der Fettsäureoxidation (nach Kappus 1985, Halliwell 1993): Radikale wie •OH können Lipidperoxidation initiieren, indem sie dem Lipid ein Wasserstoffatom entziehen, zurück bleibt ein Lipidradikal. Nach Dien-Konjugation und Sauerstoffanlagerung wird ein Endoperoxid gebildet, bei dessen Zerfall die Kette gespalten wird und Alkyloxyradikale sowie Ethan entsteht. Für die Bildung von Lipidhydroperoxiden (LOOH) sind wenigstens zwei Doppelbindungen nötig, sind dagegen drei isolierte Doppelbindungen vorhanden, kann durch intramolekulares Rearragement Malondialdehyd (MDA) gebildet werden. Es werden auch andere Reaktions­wege der Lipidperoxidation diskutiert, die aber alle unter Endo/Hydroperoxidbildung ablaufen.

Insgesamt ist das Ausmaß der Lipidperoxidation von verschiedenen Faktoren wie der Lipid/Protein-Ratio, der Zusammensetzung der Fettsäuren, der Sauerstoffkonzentration im Gewebe und der Anwesenheit von kettenbrechenden Antioxidantien abhängig. In Folge der Lipidperoxidation kann der Sauerstoffverbrauch der Zelle soweit steigen, dass es zu intra­zellulärer Hypoxie kommt (Kappus 1985).

1.6.1 PAF, PAF-ähnliche Substanzen und PAF-Acetylhydrolase

Der Thrombozyten-aktivierende Faktor (Platelet Activating Factor, PAF) oder 1-O-Alkyl-2-Acetyl-Glycero-Phosphocholin, ist ein starker proinflammatorischer Mediator, der bei der Entstehung verschiedener akuter und chronischer Lungenschädigungen wie dem Asthma bronchiale, der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COLD), der Lungenfibrose und dem akuten Lungenversagen (ARDS) beteiligt ist (Henderson 1991, Triggiani 1997). PAF führt in vivo zu bronchialer Hyperreaktivität mit Bronchokonstriktion sowie zu erhöhter vaskulärer Permeabilität und zur Einwanderung inflammatorischer Zellen in die Lunge (Triggiani 1997).

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Abbildung 1.5 Fettsäureoxidation nach Kappus (1985), Halliwell und Gutteridge (1993).


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Der oxidative Abbau von ungesättigtem Phosphatidylcholin führt zu PAF-ähnlichen Produk­ten mit einem kurzkettigen Oxidationsprodukt in der sn-2-Position. Einige dieser Produkte haben PAF-ähnliche Aktivität, die wahrscheinlich über den PAF-spezifischen Rezeptor ver­mittelt wird (Tanaka 1993, Tanaka 1994), es gibt Hinweise, dass unter bestimmten Bedingun­gen im menschlichen Plasma die PAF-Wirkung nicht auf PAF, sondern eher auf die PAF-ähnlichen Substanzen zurückzuführen ist (Frey 2000).

Die Konzentration von PAF und der PAF-ähnlichen Substanzen (PAF-RC) wird in der bronchialen Lavage von PAF-Acetylhydrolase (PAF-AH) kontrolliert, sie katalysiert den hydrolytischen Abbau der Acetylgruppe in sn-2-Position und produziert dabei inaktives Lyso-PAF und Essigsäure (Blank 1981, Stafforini 1987). Phospholipase A2 (PLA2) spaltet ebenfalls Fettsäuren in der sn-2-Position, bevorzugt aber langkettige Fettsäuren (Triggiani 1997).

1.7  Modelle für die Untersuchung des oxidativen Stress in der Lunge

1.7.1  In vivo Hyperoxie

Hyperoxische Beatmung ist zur Zeit eine unverzichtbare lebenserhaltende Behandlung in der Intensivmedizin, z.B. bei neonataler Lungenunreife. Diese Hyperoxie führt aber zu einer vermehrten Bildung von ROS (Kapitel 1.1), wovon insbesondere die Lunge betroffen ist, da Lunge und Lungensurfactant direkt der höheren O2-Konzentration ausgesetzt sind. Experi­mentell simuliert in vivo Hyperoxie bei Versuchtieren am besten die Situation beatmeter Neu- und Frühgeborener.

Wie bereits in 1.1 dargelegt, führt Hyperoxie über die Abnahme der Surfactantlipide zu Atelektasen- und Ödembildung, in deren Folge es zu einer lebensbedrohlichen arteriellen Hypoxämie kommen kann (Matalon 1981, Holm 1988). Die Typ-II-Zellen reagieren mit einer Zellhypertrophie (Holm 1985), zusätzlich steigt die Anzahl der Typ-II-Zellen in der Lunge (Young 1982).

Betrachtet man die in verschiedenen Publikationen mitgeteilten Ergebnisse zu hyperoxisch induzierten Veränderungen in der Lunge jedoch genauer, sind diese z.T. grob widersprüchlich (Tabelle 1.4).


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Tabelle 1.4 Effekt von in vivo Hyperoxie: Literaturübersicht (Auswahl)

O 2 -Behandlung

Effekt

Literatur

85% O2, 9d, R

Typ-II-Zellen: PC ↑, DPPC ±

Brumley 1979

85% O2, 7d, R

Typ-II-Zellen: DPPC-Gehalt ↑, PC-Turnover ↑

Young 1982

>95% O2, 48h, n, K

Lungenschnitte: PC-Synthese/Turnover ↓; PC-Uptake ±

Ward 1983

85% O2, 64h, K

BAL: PL ↓, PC ±, DPPC ±

Holm 1985

100% O2, 64h, K

BAL: PL ↓, PC-Synthese ↓

Holm 1988

100% O2, bis zu 8d, H

BAL: PL ↑, PC ±, DPPC (↑)

Minoo 1992

>95% O2, 64h, R

BAL: PL ↑, DPPC ↓

Balaan 1995

80% O2, 11d, R

Catalase ↑, GR ↑, GPx ↑, SOD ↑

Coursin 1987

100% O2, 64h, K

PL ↑; CuZnSOD ±, MnSOD ±, GPx ±

Baker 1989

85% O2, 7d, R

CuZnSOD ↑*, MnSOD ↑

Chang 1995

85% O2, 3d, R

Catalase ±, CuZnSOD ±, MnSOD ±, GPx ↑

Ho 1996

n: Neugeborene Tiere, K: Kaninchen, R: Ratte, H: Hamster; PC: Phosphatidylcholin, DPPC: Dipalmitoylphos­phatidylcholin, BAL: Bronchoalveoläre Lavage, PL: Phospholipide, GR: Glutathion-Reduktase, GPx: Gluta­thion-Peroxidase, MnSOD: Mangan-Superoxid-Dismutase, CuZnSOD: Kupfer-Zink-Superoxid-Dismutase, *s. Anmerkung im Text.

Frank et al. untersuchen 1978 die unterschiedliche Reaktion von Meerschweinchen, Hamster, Maus, Kaninchen und Ratte auf Hyperoxie und finden keinen Unterschied bei der Aktivität der SOD oder GPx, ein Anstieg der Catalase-Aktivität zeigt sich lediglich bei Ratten. Werden dagegen neonatale Tiere einer Hyperoxie ausgesetzt, zeigen Kaninchen und Ratten einen Anstieg der Aktivität aller drei antioxidativen Enzyme, Mäuse einen Anstieg von SOD und GPx. Es scheint daher, dass die unterschiedlichen Literaturergebnisse über den Einfluss von Hyperoxie auf die PC-Synthese oder die Aktivität antioxidativer Enzyme u.a. auf spezies­abhängige Unterschiede und auf das Alter der Tiere zurückzuführen sind. Insgesamt ist aller­dings die Bedeutung der erhöhten Aktivität antioxidativer Enzyme unter Hyperoxie unklar: Baker et al. (1989) finden nach subletaler Sauerstoff-Präexposition und anschließender Erholung bei Raumluft eine erhöhte Toleranz für Hyperoxie, die jedoch nicht mit einem Anstieg der Aktivität antioxidativer Enzyme verbunden ist. In diesem Zusammenhang ist auch bemerkenswert, dass Chang et al. (1995) unter Hyperoxie eine Erhöhung der CuZnSOD-Aktivität finden, der größte Teil des Proteins aber inaktiviert ist.


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Trotz dieser Unterschied simuliert das Hyperoxie-Modell am besten die Beatmung Frühge­borener mit IRDS, allerdings haben wichtige Parameter wie das Alter der Tiere, die Körper­masse, die O2-Konzentration und Expositionsdauer einen erheblichen Einfluss auf die Mess­ergebnisse und sollten eindeutig definiert werden.

1.7.2  In vitro H2O2

Da Untersuchungen zum pathobiochemischen Mechanismus der hyperoxischen Lungen­schädigung im Ganztiermodell mit einigen Unsicherheiten und Widersprüchen verbunden sind, scheint es sinnvoll, das Modell zu vereinfachen und es auf Untersuchungen zur oxida­tiven Schädigung der funktionell wichtigen Typ-II-Zellen in Primärkultur zu begrenzen. Dabei ist die Inkubation isolierter Typ-II-Zellen mit H2O2 ein geeignetes Modell, da 1. die O2-Toxizität bei Hyperoxie durch H2O2 vermittelt wird (Luo 1999) und 2. sich ein erhöhter H2O2-Gehalt z.B. in der Exspirationsluft von ARDS-Patienten (Sanders 1999) findet.

Wie sich Typ-II-Zellen gegen oxidative Belastung durch H2O2 schützen, ist unklar: H2O2 dringt schnell in Zellen ein und wird dort metabolisiert, seine Halbwertszeit im Zellmedium liegt dabei zwischen 10min (Engstrom 1990) und 25min (Simon 1991). Engstrom et al. (1990) zeigen, dass GSH-Depletion zu keiner Änderung der H2O2-Clearance führt und nehmen deshalb an, dass der H2O2-Schutz GSH-unabhängig ist. Es gibt aber auch Hinweise, dass H2O2 in niedrigen Dosen von Glutathionperoxidase metabolisiert wird, in höheren Dosen dagegen von Catalase (Gille 1992).

H2O2-Stress führt zu einer Abnahme des ATP-Gehaltes in Typ-II-Pneumozyten (LaCagnin 1990, Abernathy 1995, Crim 1995), vermutlich durch Hemmung sowohl der mitochondrialen ATP-Synthese als auch der ATP-Gewinnung in der Glykolyse (LaCagnin 1990). Hudak et al. (1995) zeigen, dass H2O2 die poly-(ADP)-Ribose Polymerase aktiviert und dadurch die zelluläre ATP-Konzentration vermindert. Darüber hinaus ist auch ein erhöhter ATP-Ver­brauch denkbar, z.B. bei der kompensatorischen Reparatur von Zellstrukturen oder für die Regeneration von GSH.


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Unter H2O2 sinkt der Gehalt des funktionell wichtigen Phosphatidylcholins (PC) in den Typ-II-Zellen (Holm 1991, Hudak 1995, Crim 1995), da die PC-Synthese auf der Stufe der Ver­esterung von Fettsäuren mit Glycerol durch die SH-abhängige Glyerol-3-Phosphat-Acyltrans­ferase (GPAT) und auf der Stufe des Einbau von Cholin in PC gehemmt wird (Holm 1991, Hudak 1995). Folglich ist die Verminderung des PC-Gehaltes nur zum Teil von der H2O2-induzierten ATP-Depletion abhängig.

Das H2O2-Modell kann Untersuchungen hyperoxisch behandelter Tiere nicht ersetzen: Zum einen sind die Ergebnisse mit isolierten Zellen in Primärkultur nicht ohne weiteres mit denen der gesamten Lunge nach Hyperoxie in vivo vergleichbar, zum anderen sind die Unter­suchungszeiträume durch die kurze Überlebenszeit der Typ-II-Zellen in der Kultur limitiert. Das Modell stellt aber eine sinnvolle Ergänzung zur Untersuchung des oxidativen Stress in der Lunge dar und kann insbesondere die Rolle der Typ-II-Zellen bei der Abwehr von oxidativem Stress näher charakterisieren.


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09.06.2005