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Der Einfluss von Hyperoxie auf alle Antioxidantien im Gewebe kann durch die Messung der totalen antioxidativen Kapazität (TAC) erfasst werden, deren größter Anteil Glutathion (GSH) darstellt: Es macht ca. 90% der intrazellulären nicht-proteingebundenen Thiole der Zelle aus und ist somit eines der wichtigsten Antioxidantien der Zelle (Jenkinson 1988). GSH wirkt antioxidativ, indem es zu Glutathiondisulfid (GSSG) oxidiert wird, welches durch die Glutathionreduktase wieder zu GSH reduziert wird. Unter physiologischen Bedingungen beträgt die Konzentration von GSSG ca. 0,2-1% der gesamten GSH-Konzentration.
Catalase und Superoxiddismutasen (SOD) sind wichtige antioxidative Enzyme der Typ-II-Zellen: Das unter Hyperoxie entstehende Superoxidanionradikal (•O2 ―) wird von SOD zu H2O2 abgebaut, welches wiederum von Catalase zu O2 und H2O abgebaut wird.
Tabelle 4.1 Einfluss von in vivo Hyperoxie auf antioxidative Parameter von frisch isolierten Typ-II-Zellen
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Antioxidanz |
Kontrolle |
Hyperoxie |
|
TAC (n=3) |
100% |
105 ± 20% |
|
GSH (n=2) |
100% |
77 / 75% |
|
GSSG (n=2) |
100% |
118 / 120% |
|
Catalase (n=5) |
100% |
89 ± 30% |
|
SOD (n=3) |
100% |
308 ± 73% * |
Unter Hyperoxie finden wir keine Veränderungen der TAC der Typ-II-Pneumozyten (Tabelle 4.1), auch im Plasma und in der Bronchoalveolären Lavage (BAL) lässt sich keine Veränderung der TAC nachweisen (nicht gezeigt). Unter Hyperoxie kommt es des Weiteren zu einem leichten Abfall des Anteils von reduziertem GSH sowie einem Anstieg des GSSG-Anteils. Die Aktivität der Catalase wird durch Hyperoxie nicht beeinflusst, wohingegen die SOD-Aktivität stark ansteigt - bei großer Standardabweichung lagen alle gemessen Einzelwerte der SOD über 200% der Kontrollwerte.
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Da die Typ-II-Zellen auf oxidativen Stress durch Hyperoxie v.a. mit einem Anstieg der SOD-Aktivität reagieren, während die anderen gemessenen Parameter nur geringe bzw. keine Veränderungen zeigen, stellt sich die Frage, ob eine Schädigung durch Hyperoxie eintritt, indem z.B. Surfactantlipide oxidiert werden. Um diese Arbeitshypothese zu prüfen, haben wir die Konzentration von Malondialdehyd (MDA), Lipidhydroperoxiden (LOOH) und die PAF-ähnlichen Substanzen (PAF-Related Compounds, PAF-RC) bestimmt. MDA und LOOH sind Abbauprodukte der Radikalkettenreaktion (s.a. Abbildung 1.5), PAF-RC entstehen durch oxidative Kettenverkürzung der ungesättigten Fettsäuren in sn-2 Position des Phosphatidylcholins, ihre Konzentration im Gewebe wird durch PAF-Acetylhydrolase (PAF-AH) und Phospholipase A2 (PLA2) reguliert.
Tabelle 4.2 Einfluss von in vivo Hyperoxie auf die Lipidperoxidation und auf die Aktivität der antioxidativen Enzyme PAF-AH und PLA2 im Plasma und in der Bronchoalveolärer Lavage (BAL)
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Plasma |
BAL |
|||
|
|
Kontrolle |
Hyperoxie |
Kontrolle |
Hyperoxie |
|
MDA (n=6) |
100% |
130 ± 19% * |
100% |
108 ± 26% |
|
LOOH (n=3) |
100% |
260 ± 77% * |
100% |
122 ± 53% |
|
PAF-RC (n=5) |
100% |
264 ± 55% * |
100% |
133 ± 33 % |
|
PAF-AH (n=3) |
100% |
109 ± 6% |
100% |
32 ± 5% * |
|
PLA2 (n=4) |
100% |
98 ± 11% |
100% |
76% ± 41% |
Tabelle 4.2 [Seite 35↓] zeigt, dass Hyperoxie zu einem signifikanten Anstieg der Lipidperoxidation im Plasma führt, wobei die Aktivität der antioxidativen Enzyme PAF-AH und PLA2 unverändert bleibt. In der Lavage dagegen fällt die Aktivität der PAF-AH auf ein Drittel, während keine Veränderung der Lipidperoxidation oder der PLA2-Aktivität nachweisbar ist. Beide Ergebnisse passen insofern nicht zusammen, als eine verminderte PAF-AH-Aktivität zu erhöhten PAF-RC in der BAL führen sollte. Möglich ist, dass PAF-AH nicht in den Surfactant-Subfraktionen lokalisiert ist, die die Substrate der PAF-RC enthalten: Wir haben deshalb den Einfluss von Hyperoxie auf die Aktivität der PAF-AH in den verschiedenen Subfraktionen der Lavage untersucht. Die Surfactantsubfraktionen wurden dabei durch Differentialzentrifugation der Lungenlavagen isoliert (nach Guthmann 1999).
Tabelle 4.3 PAF-AH-Aktivität in Lungenzellen und verschiedenen Fraktionen der BAL: Einfluss von in vivo Hyperoxie
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Fraktion |
Kontrolle |
Hyperoxie |
||||
|
[nmol/h/mg Protein ] |
[nmol/h/mg Protein] |
% von Kontrolle |
||||
|
Makrophagen |
46 ± 9 |
23 ± 7 * |
50% |
|||
|
Typ-II-Pneumozyten |
33 ± 3 |
36 ± 4 |
109% |
|||
|
BAL |
222 ± 60 |
69 ± 11 * |
31% |
|||
|
P3 (1000×g; 20min) |
33± 17 |
30 ± 15 |
91% |
|||
|
P4 (60 000×g; 60min) |
79 ± 30 |
31 ± 17 |
39% |
|||
|
P5 (100 000×g; 16h) |
51 ± 18 |
16 ± 4 * |
31% |
|||
|
Überstand |
28 ± 2 |
15 ± 7 * |
54% |
|||
In den Fraktionen P4 und P5, die den Surfactantmonolayer repräsentieren (Magoon 1983, Guthmann 1995), messen wir die höchste PAF-AH-Aktivität. Zusammen mit der P3-Fraktion, die dem frisch sezernierten Surfactant entspricht, enthalten diese Fraktionen ca. 75% des totalen Surfactants. Es fällt auf, dass die PAF-AH-Aktivität unter Hyperoxie lediglich in den Makrophagen, der P5-Fraktion und im Überstand signifikant abnimmt, d.h. in den Anteilen des Surfactants, die für die Oberflächenfunktion des Surfactants weniger bedeutend sind.
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Zusammenfassend finden wir unter Hyperoxie:
Wie in Kapitel 1.2 diskutiert, wurde wegen widersprüchlicher Ergebnisse bei Untersuchungen mit dem Ganztiermodell ein vereinfachtes Modell gesucht: Dazu werden Typ-II-Pneumozyten in Primärkultur unter Basalbedingungen (Raumluft und 37°C) in der Kultur gehalten und in Gegenwart von H2O2 inkubiert. Da nicht auszuschließen ist, dass allein die basalen Kulturbedingungen einen Stressfaktor darstellen, haben wir zunächst untersucht, inwieweit die Kultivierung der Zellen unter Basalbedingungen einen Einfluss auf das antioxidative Potential oder die HSP-Expression hat.
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Tabelle 4.4 Einfluss einer 18-stündigen Zellkultur auf die Aktivität der antioxidativen Enzyme Catalase und SOD, die totale antioxidative Kapazität (TAC), den GSH-Gehalt sowie die HSP-Expression von Typ-II-Zellen
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Zellsuspension |
adhärente Zellen (18h) |
|
Catalase (n=4) |
100 ± 11% |
63 ± 43% |
|
SOD (n=3) |
100 ± 19% |
100 ± 30% |
|
TAC (n=3) |
100 ± 10% |
139 ± 59% |
|
GSH (n=3) |
100 ± 12% |
40 ± 16% * |
|
HSP 32 (n=2) |
1 |
9,02 / 3,04 |
|
HSP 60 (n=2) |
1 |
1,07 / 0,47 |
|
HSP 70 (n=2) |
1 |
2,29 / 1,51 |
|
HSP 90 (n=2) |
1 |
1,39 / 1,81 |
Die Inkubation von Typ-II-Zellen unter Primärkulturbedingungen führt zu einem deutlichen Abfall der GSH-Konzentration, während die Zellkultur keinen Einfluss auf die totale antioxidative Kapazität (TAC) oder die SOD-Aktivität hat. Der Abfall der Catalase-Aktivität nach 18h ist nicht signifikant, fällt aber im Laufe der Kultur weiter und erreicht nach 48h signifikante Werte (nicht gezeigt).
Die Expression von HSP 32 steigt dagegen während der Kultivierung der Zellen deutlich an. HSP 70 und 90 zeigen einen weniger starken Anstieg in der Zellkultur, HSP 60 zeigt keine Veränderung.
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Um auszuschließen, dass ein unterschiedlicher Gehalt von Makrophagen und Lymphozyten, die in den Typ-II-Zellpräparationen als Verunreinigung enthalten sind, unsere Messergebnisse verfälschen, haben wir die Zusammensetzung der Zellpräparation vor und nach der Inkubation mit H2O2 im Durchflußzytometer (FACS) gemessen: Dabei zeigt sich kein Unterschied von H2O2-behandelten und Kontrollzellen (nicht gezeigt). Um des Weiteren den Einfluss von H2O2 auf die Vitalität der Typ-II-Zellen zu messen, haben wir nach Inkubation mit H2O2 zum einen eine Vitalitätsfärbung mit 0,02% Trypanblaulösung durchgeführt, zum anderen wurde die Aktivität der Lactatdehydrogenase (LDH) im Zellmedium gemessen: Beide Parameter zeigen ebenfalls keinen Unterschied zu den Kontrollzellen (nicht gezeigt).
In der Literatur gibt es unklare Angaben darüber, wie schnell H2O2 aus dem Inkubationsmedium von den Zellen aufgenommen und verstoffwechselt wird (Simon 1991, Engstrom 1990). Wir haben daher die H2O2-Clearance von adhärenten Typ-II-Pneumozyten untersucht (Tabelle 4.5). Um auszuschließen, dass unter unseren Inkubationsbedingungen H2O2 im Zellmedium abgebaut wird, haben wir H2O2 in zellfreiem Medium (DMEM) inkubiert, unter diesen Bedingungen bleibt die H2O2-Konzentration unverändert (nicht gezeigt).
Tabelle 4.5 Einfluss der H2O2-Inkubationszeit auf die H2O2-Clearance adhärenter Typ-II-Zellen
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Inkubationszeit mit H2O2 |
|||||
|
0min |
1min |
2min |
5min |
10min |
30min |
|
500µM |
225 ± 12µM * |
96 ± 67µM * |
41 ± 46µM * |
0 ± 1µM * |
0µM |
Tabelle 4.5 zeigt, dass nach 10min kein H2O2 im Kulturmedium mehr nachzuweisen ist, deshalb haben wir haben bei einigen der folgenden Versuche nach 10min die Zellen erneut mit H2O2-haltigem Medium inkubiert.
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Eines der wichtigsten Schutzsysteme der Zellen gegen oxidativen Stress ist das Glutathion (GSH/GSSG)-System: Oxidiertes GSSG wird durch die Glutathionreduktase wieder in GSH umgewandelt, das dafür notwendige NADPH wird durch den Pentosephosphatzyklus mit dem Schlüsselenzym Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase zur Verfügung gestellt (Griffith 1983). Unter oxidativem Stress kann GSH aber auch mit anderen SH-Gruppen zu sog. gemischten Disulfiden reagieren (Ishii 1992). Wir haben hier den Einfluss von H2O2 auf die Konzentration des gesamten GSH gemessen.
Um das gesamte antioxidative Potential der Zellen abschätzen zu können, haben wir die totale antioxidative Kapazität (TAC) bestimmt, weiterhin die Konzentration der lipophilen Antioxidantien Vitamin E und der polyungesättigten Fettsäuren (PUFA), einem möglichem Substrat der ROS. PUFA werden dabei leicht oxidiert und können durch den Verbrauch von ROS die Oxidation anderer Zellbestandteile verhindern; sie wirken deshalb antioxidativ (Sies 1993).
Tabelle 4.6 Einfluss der Inkubation adhärenter Typ-II-Zellen in Gegenwart von 0,5mM H2O2 auf die Konzentration verschiedener Antioxidantien
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Zeit nach H 2 O 2 -Gabe |
GSH |
TAC |
Vitamin E |
PUFA |
|
[min] |
n=5 |
n=3 |
n=3 |
n=2 |
|
Kontrolle |
100 ± 17% |
100 ± 7% |
100 ± 6% |
100 ± 19% |
|
5min H2O2 |
62 ± 19% * |
68 ± 7% * |
86% (n=1) |
n.b. |
|
10min H2O2 |
88 ± 25% |
105 ± 18% |
79% (n=2) |
104 ± 32% |
|
3×10min H2O2 |
97 ± 6% |
95±12% |
73 ± 7% * |
118 ± 26% |
|
6×10min H2O2 |
62 ± 17% * |
113 ± 18% |
n.b. |
69 ± 36% |
| Abbildung 4.1 Einfluss der Inkubation adhärenter Typ-II-Zellen in Gegenwart von 0,5mM H2O2 auf die GSH-Konzentration. | ||
Bei der Inkubation von Typ-II-Zellen mit H2O2 verlaufen die GSH-Konzentration und die TAC zunächst parallel: Nach einem steilen Abfall innerhalb der ersten 5min wird die GSH-Konzentration schnell regeniert und erreicht nach 10min wieder Kontrollwerte. Im weiteren Verlauf fällt die GSH-Konzentration aber im Gegensatz zur TAC wieder langsam ab und erreicht nach 6×10min 60% der Ausgangskonzentration (p<0,05). Es scheint daher, dass GSH die Typ-II-Zellen vor allem vor dem initialen oxidativen Stress schützt.
Unter H2O2 fällt der Vitamin-E-Gehalt dagegen kontinuierlich über die gesamte Inkubationszeit ab, der Anteil des Vitamin E-Chinons bleibt dabei unverändert (nicht gezeigt). Die PUFA-Konzentration zeigt keinen Unterschied zur Kontrolle, auch die Anteile der Arachidonsäure (20:4) und der Linolsäure (18:2) werden durch H2O2 nicht beeinflusst (nicht gezeigt). Es kann spekuliert werden, dass Vitamin E in der Lage ist, die PUFA effektiv vor oxidativer Schädigung zu schützen.
Neben der Konzentration der Antioxidantien haben wir die Aktivität der antioxidativen Enzyme Catalase und Superoxiddismutasen (SOD) in den Typ-II-Zellen gemessen (Tabelle 4.7).
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Tabelle 4.7 Einfluss der Inkubation adhärenter Typ-II-Zellen in Gegenwart von 0,5mM H2O2 auf die zelluläre Aktivität der antioxidativen Enzyme Catalase und SOD
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Zeit nach H 2 O 2 -Gabe |
Catalase |
SOD |
|
Kontrolle |
100 ± 12% |
100 ± 23% |
|
10min |
138 ± 60% |
269 ± 142% * |
|
30min |
136 ± 42% |
103 ± 28% |
|
60min |
172 ± 32% * |
173 ± 18% |
|
3×10min |
117 ± 36% |
259 ± 90% *# |
|
6×10min |
132 ± 39% |
268 ± 97% * |
Unter H2O2-Behandlung steigt die Aktivität von Catalase und SOD in den Typ-II-Zellen zeitabhängig an; hierbei fällt allerdings auf, dass die SOD-Aktivität bei mehrfacher Gabe von H2O2 einen stärkeren Anstieg gegenüber der einmaligen Gabe zeigt (signifikant für 30min vs. 3×10min).
Es ist bekannt, dass oxidativer Stress zu einem verminderten Gehalt von Surfactantlipiden in der BAL und den Typ-II-Zellen führt (Holm 1991, Crim 1995, Hudak 1995, Guthmann 2003). Dies kann verschiedene Ursachen haben: Zum einen kann die Synthese der Surfactantlipide gehemmt werden, zum anderen können Surfactantlipide oxidiert werden. Wir haben daher in den folgenden beiden Abschnitte den Einfluss von H2O2-Inkubation sowohl auf die Surfactantlipidsynthese als auch auf die Lipidperoxidation untersucht.
Eine optimale DPPC-Synthese ist an eine ausreichende Aufnahme exogener Palmitinsäure (16:0) durch Typ-II-Zellen gebunden, wir haben deshalb die initiale Fettsäurenaufnahme nach H2O2-Inkubation gemessen. Des Weiteren haben wir die PC-Synthese unter H2O2 anhand des Einbaus von 3H-Palmitinsäure und 14C-Cholin in PC untersucht.
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Tabelle 4.8 Einfluss der Inkubation adhärenter Typ-II-Zellen in Gegenwart von 0,5mM H2O2 auf die initiale 3H-Palmitinsäure-(16:0)-Aufnahme sowie den 14C-Cholin- und 3H-16:0-Einbau in PC
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Zeit nach H 2 O 2 -Gabe |
16:0-Aufnahme |
Cholin-Einbau |
16:0-Einbau |
|
Kontrolle |
100% |
100 ± 37% |
100 ± 44% |
|
10min |
n.b. |
44 ± 3% * |
55 ± 1% * |
|
3×10min H2O2 |
75 ± 12% |
29 ± 7% * |
12 ± 3% * |
|
6×10min H2O2 |
51 ± 13% # |
18 ± 8% * |
12 ± 1% * |
Sowohl die initiale Aufnahme von Palmitinsäure als auch der Einbau von Cholin- und Palmitinsäure sind unter H2O2-Inkubation vermindert, wobei die Fettsäureaufnahme in geringerem Maße und erst bei 6×10min signifikant gehemmt wird. Da der Cholin- und 16:0-Einbau aber schon innerhalb von 10min reduziert sind, kann die verminderte Aufnahme exogener Palmitinsäure nicht der alleinige Grund der reduzierten PC-Synthese sein. Holm et al. finden in diesem Zusammenhang unter H2O2 (Holm 1991) und Hyperoxie (Holm 1988) eine Hemmung der SH-Gruppenhaltigen G3P-Acyltransferase (GPAT), einem Enzym, das den Einbau von Palmitinsäure in Glycerol-3-Phosphat katalysiert (s.a. Abbildung 1.2).
H2O2 führt zu einem Abfall der Konzentration des wichtigsten lipophilen Antioxidanz Vitamin E, daher ist eine Erhöhung der Lipidperoxidation wahrscheinlich. Um diese Arbeitshypothese zu prüfen, haben wir den Einfluss von H2O2 auf die Konzentration von Lipidhydroperoxiden (LOOH) und PAF-ähnlichen Substanzen (PAF-RC) sowie die Aktivität der PAF-Acetylhydrolase (PAF-AH) und der Phospholipase A2 (PLA2) gemessen.
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Tabelle 4.9 Einfluss der Inkubation frisch isolierter Typ-II-Zellen in Gegenwart von 0,5mM H2O2 auf die Lipidperoxidation sowie die Aktivität der antioxidativen Enzyme PAF-AH und PLA2 in frisch isolierten Typ-II-Zellen
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Zeit nach H 2 O 2 -Gabe |
LOOH |
PAF-RC |
PAF-AH |
PLA 2 |
|
Kontrolle |
100% |
100% |
100 ± 18% |
100 ± 12% |
|
5min H2O2 |
213% |
510% |
189 ± 3% * |
184 ± 88% * |
|
3×10min H2O2 |
241% |
423 ± 18% * |
59 ± 22% * |
133 ± 62% |
Unter H2O2 finden wir einen Anstieg der Konzentration von Lipidhydroperoxiden und PAF-RC, von den antioxidativen Enzymen zeigen sowohl PAF-AH als auch PLA2 eine erhöhte Aktivität nach 5min. Die PAF-AH-Aktivität erreicht nach 10min wieder die Kontrollwerte (nicht gezeigt) und fällt bis zum Ende der Inkubationszeit auf 50%. Wir führen diese Veränderungen auf eine Hemmung der PAF-AH durch ROS zurück, z.B. durch Oxidation der SH-Gruppe im aktiven Zentrum des Enzyms oder durch oxidative Zerstörung des Enzymproteins. Die Aktivität der PLA2 dagegen bleibt nach einem anfänglichen Anstieg leicht erhöht (nicht signifikant).
Hitzeschockproteine (HSP) sind sehr sensible Indikatoren für zellulären Stress verschiedenster Art, u.a. auch für oxidativen Stress. HSP 32, das auch Hämoxygenase-1 (HO-1) genannt wird, katalysiert den ersten Schritt des oxidativen Zerfalls von Hämoglobin zu Bilirubin; hierbei ist HO-1 im Gegensatz zu den konstitutiv exprimierten HO-2 und 3 durch Stressfaktoren induzierbar (Wong 1997, Choi 1996). HSP 60 ist das einzige hier untersuchte Hitzeschockprotein, das im Mitochondrium lokalisiert ist. Als molekulares Chaperon unterstützt es die Faltung von neu synthetisierten oder beschädigten Proteinen (Wong 1997). HSP 70 und 90 regulieren dagegen die Initation des programmierten Zelltods, indem sie die Reifung von Apoptosomen beeinflussen (Xanthoudakis 2000, Wong 1997).
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Tabelle 4.10 Einfluss der Inkubation frisch isolierter Typ-II-Zellen in Gegenwart von 0,5mM H2O2 auf die HSP-Expression frisch isolierter Typ-II-Zellen
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Zeit nach H 2 O 2 -Gabe |
HSP-Expression |
|||
|
[min] |
HSP 32 |
HSP 60 |
HSP 70 |
HSP 90 |
|
Kontrolle |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
60min H2O2 |
2,49 ± 1,66 |
2,25 ± 0,63 |
7,23 / 5,27 |
4,72 ± 2,47 |
H2O2 bewirkt einen Anstieg der Expression der Stressproteine in frisch isolierten Zellen insbesondere von HSP 70 und 90; HSP 32, das als Hämoxygenase antioxidative Funktion hat, steigt dagegen nur wenig an. Inkubiert man jedoch adhärente Zellen mit H2O2, findet sich nur ein geringer Anstieg der HSP-Expression (nicht gezeigt), vermutlich da die basale Expression von HSP in den Kontrollzellen schon durch die Zellkulturbedingungen erhöht ist (s. 4.1.2).
H2O2-Belastung von isolierten Typ-II-Pneumozyten führt zusammengefasst zu:
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| XDiML DTD Version 4.0 | Zertifizierter Dokumentenserver der Humboldt-Universität zu Berlin | HTML-Version erstellt am: 09.06.2005 |