1. Einleitung

1.1. Hyperoxie

1.1.1. Physiologische Veränderungen während der Geburt

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Beim Übergang vom intrauterinen zum postnatalen Leben kommt es zu drastischen physiologischen Veränderungen. Neugeborene sind nach der Geburt, verglichen mit den intrauterinen Verhältnissen (intrauteriner Sauerstoffpartialdruck: 25mmHg), einem unphysiologischen hohen Sauerstoffdruck ausgesetzt. Die Anpassung an die Umgebungsluft zieht Umstellungen des kardiovaskulären Systems nach sich, wobei der dramatische Anstieg des Sauerstoffdruckes im Blut eine der größten Veränderungen vom intrauterinen zum postnatalen Leben eines Neugeborenen darstellt1.

1.1.2. Hyperoxie und ihre Auswirkungen

Hyperoxie spielt in der Pathogenese der bronchopulmonalen Dysplasie (BPD) und der Retinopathie von Frühgeborenen (retinopathy of prematurity,ROP), zweier der wichtigsten bleibenden Erkrankungen unreif geborener Kinder, eine Schlüsselrolle2 , 3. Hyperoxie, entstanden durch exzessive Sauerstoffgabe zur Therapie (z.B. bei der Wiederbelebung Neugeborener) oder bei unzulänglichem Antioxidationsschutz (durch ein unreifes Antioxidationssystem), kann zu Gewebeschäden durch zwei Mechanismen führen: Der erste Mechanismus ist gekennzeichnet durch die direkte Toxizität des Sauerstoffes, entstanden durch reaktive freie O2-Radikale, der zweite durch eine maladaptive physiologische Antwort auf Sauerstoff 4. Hyperoxie und freie O2-Radikale spielen sowohl eine integrale Rolle im Alterungsprozess5 wie auch bei altersbedingten neurodegenerativen Veränderungen und Erkrankungen. Die mit dem Alterungsprozess verbundenen Beeinträchtigungen des Gedächtnisses und der motorischen Koordination gehen auf oxidative Schäden im zerebralen Kortex und im Cerebellum zurück6. Auch bei Erkrankungen wie M. Alzheimer und M. Huntington weist ein vermehrtes Auftreten von oxidierter Kern- und Mitochondrial-DNA auf Folgen von Hyperoxie hin7 , 8 , 9.

1.1.3. Direkte Toxizität von Sauerstoff

Normalerweise liegt Sauerstoff während des aeroben Energiemetabolismus in den Mitochondrien zu zwei Molekülen Wasser reduziert vor. Diese Elektrontransportreaktionen werden durch den Zytochrom-Oxidase-Enzymkomplex katalysiert. Dabei entstehen als Zwischenprodukte freie Radikale, die, wenn sie in hoher Anzahl vorliegen, zytotoxisch wirken können10. Das Superoxidanion (O2 ·– ) ist ein solches freies Radikal, das durch den Transfer von einem Elektron auf molekularen Sauerstoff entsteht. Es kann als Oxidant oder Reduktantwirken, sodass es sowohl zu Hydrogenperoxid (H2O2) als auch zu einem Hydroxylradikal (OH · ) reagieren kann11. Jedes von diesen freien Radikalen kann zu zellulären Verletzungen auf verschiedenen Wegen führen. Hierbei ist vor allem die Peroxidation der Membranlipide zu nennen. Die dabei entstehenden Hydroperoxide sind potente Inhibitoren der Zellenzyme und können Proteine oder Membranen schädigen. Außerdem können freie O2-Radikale direkt DNA schädigen.

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Sauerstofftoxizität ist besonders in der Lunge zu beobachten, wo direkter Kontakt mit dem eingeatmeten Sauerstoff besteht. Die bei erwachsenen Intensivpatienten auftretende Tracheobronchitis und das ARDS (adult respiratory distress syndrome) sind zum großen Teil auf direkte Effekte des eingeatmeten Sauerstoffs zurückzuführen. Bei Frühgeborenen besteht eine besonders große Anfälligkeit gegen die Sauerstofftoxizität aufgrund ihres unreifen Antioxidationsschutzes. Studien haben gezeigt, dass unreife Neugeborene deutlich schlechter in der Lage sind, die Aktivität von Antioxidationsenzymen wie Superoxiddismutase, Katalase, Gluthationperoxidase und Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase bei erhöhter Sauerstoffexposition hochzuregulieren als reife Neugeborene12 , 13.Daher neigen Frühgeborene besonders dazu, eine BPD zu entwickeln, charakterisiert durch eine dysregulierte Inflammation und veränderte Expression von Wachstumsfaktoren und Proteasen. In der initialen Phase der Sauerstofftoxizität kommt es zu Schädigungen des Alveolarephitels und des Kapillarendothels. Dies führt zu interstitiellen und alveolaren Ödemen, worauf eine Infiltration neutrophiler Zellen in das Gewebe folgt. Die zweite Phase der Sauerstofftoxizität ist charakterisiert durch eine Proliferation der Alveolarzellen Typ II und bei andauernder Sauerstoffexposition durch eine interstitielle Fibrose. Dies führt zu einem bleibenden Defekt des Gasaustausches in den Alveolen14.

1.1.4. Maladaptive physiologische Antwort auf Sauerstoff

Hierbei entstehen Schäden durch die Toxizität des Sauerstoffes auf indirektem Wege. Der Mechanismus beruht auf bekannten physiologischen Effekten, die abhängig vom gesundheitlichen Zustand eines Patienten maladaptiv sein können, und führt zur respiratorischen Depression, Hemmung der Erythropoese, Vasodilatation der Pulmonalgefäße und zu einer systemischen arteriellen Vasokonstriktion. Das bekannteste Beispiel ist die Retinopathie Frühgeborener (retinopathy of prematurity, ROP)4. Im ersten Stadium kommt es durch Hyperoxie zur Vasokonstriktion der retinalen Gefäße, welche bei andauernder Sauerstoffexposition zur Vasoobliteration führt. Im zweiten Stadium der ROP führt eine durch die Vasokonstriktion hervorgerufene lokale Gewebshypoxie zur Produktion von Wachstumsfaktoren wie VEGF (vascular endothelial growth factor). Es kommt zu einer Neovaskularisierung des Glaskörpers15. Diese Gefäße neigen zu Blutungen, die fibröseVernarbungen nach sich ziehen, welche zur Traktion der Retina führen16.

1.1.5. Auswirkungen von Hyperoxie auf das sich entwickelnde Gehirn

Während es eine Vielzahl von klinischen und experimentellen Studien zur Aufklärung der Pathogenese vom BPD und ROP gibt, sind die Auswirkungen von Hyperoxie auf das unreife Gehirn weitgehend unbekannt.

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Die ständigen Verbesserungen der neonatalen Intensivversorgung und die Fortschritte im Verständnis der fetalen Physiologie haben zu einem enormen Anstieg der Überlebensrate von Neugeborenen mit niedrigem Geburtsgewicht (< 1500g) geführt17 , 18. Daraus ergaben sich Fragen zur Qualität der neurologischen Entwicklung dieser Überlebenden. Tatsächlich finden sich häufig motorische und kognitive Beeinträchtigungen und Entwicklungsstörungen bei Kindern mit extrem niedrigem Geburtsgewicht (< 1000g). Mehr als 25% von Neugeborenen mit einem Geburtsgewicht von 901–1000g und 43% von Kindern mit einem Geburtsgewicht von 401–500g (extremely low birth weight infants, ELBW: 400–1000g, SSW: 24–28) zeigten in prospektiven Studien eine schlechte neurologische Entwicklung. Das Risiko für eine neurologische Erkrankung und für Auffälligkeiten in der sensorischen und motorischen Entwicklung steigt also mit abfallendem Geburtsgewicht19 , 20.

Frühgeborene repräsentieren 5% aller Geburten, aber 50% aller Kinder mit frühkindlichen Hirnschädigungen21. Die neuropathologische Manifestation der Schädigung hängt entscheidend vom Entwicklungsstatus des Gehirns, aber auch von der Art der Schädigung und der stattgefundenen Interventionen ab22. Bei Reifgeborenen sind perinatale Asphyxien, bei Frühgeborenen die Schädigungen der weißen Substanz, durch eine Vielzahl von Ursachen, wesentliche Faktoren eines neurologischen Folgeschadens23

Frühgeborene haben ein hohes Risiko, eine intrazerebrale Hämorrhagie, einen hämorrhagischen Parenchyminfarkt, eine periventrikuläre Leukomalazie (PVL) und wahrscheinlich am häufigsten eine diffuse Verletzung der Gehirnzellen ohne spätere Bildung sichtbarer Zysten zu entwickeln24. Bei Reifgeborenen beobachtet man typischerweise die Schädigungen der Basalganglien, den Status marmoratus, während bei Frühgeborenen die PVL aber auch die diffuse multifokale Schädigung dominieren. Das klinische Bild ist sehr variabel und reicht von motorischen und kognitiven Entwicklungsverzögerungen bis zum Vollbild einer zerebralen Parese25.

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Eine ganze Reihe von schädigenden Auslösern sind mit Neurodegeneration im sich entwickelnden Gehirn in Verbindung gebracht worden, so z.B. Hypoxie, Ischämie, Entzündungen, Drogen und andere neurotoxische Faktoren. Der zugrunde liegende Auslöser der diffusen Schädigung der Gehirnzellen bleibt jedoch weitgehend unklar. Intrazerebrale Blutungen und Hypoxie können die hohe Inzidenz der zerebralen Schädigung und der bleibenden neurologischen Defizite von Frühgeborenen nicht ausreichend erklären.

Epidemiologische Studien bei Neugeborenen mit extrem niedrigem Geburtsgewicht (400–1000g) haben den Zusammenhang zwischen Hypokapnie, Hyperoxie und anderen mit einer Beatmung verbundenen Risikofaktoren und einer zerebralen Parese untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass Hyperoxie einen Hauptrisikofaktor für die Entstehung einer zerebralen Paresedarstellt26.

Dass Hyperoxie in den Neuronen Apoptose induzieren kann, wurde auch in in-vitro Studien beobachtet. Dabei wurden PC12h-Zellen (eine Subklonart von PC12-Zellen) Hyperoxie ausgesetzt. Zusätzlich wurde zu einigen Zellen Ascorbinsäure als Schutz vor freien O2-Radikalen oder N-Acetyl-L-Cystein (NAC) zur endogenen Stimulation der Glutathionperoxidase gegeben. In den toten Zellen konnten typische Veränderungen des apoptotischen Zelltodes wie DNA-Fragmente und Chromatinkugeln beobachtet werden. Dass Hyperoxie über freie O2-Radikale zur Apoptose führt, konnte daraus geschlossen werden, dass der Zelltod durch die Gabe der Antioxidanzien verhindert werden konnte27.

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In in-vivo Studien wurden zwei Tage alte Ratten 95% Sauerstoff ausgesetzt. Einem Teil der Tiere wurde zusätzlich BSO (Buthioninsulfoximin) verabreicht, ein Glutathionsynthesehemmer. Es wurde der Zusammenhang zwischen Hyperoxie, mangelndem Antioxidationsschutz (durch verminderte Glutathionsynthese) und Apoptose im sich entwickelnden Gehirn untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass Hyperoxie eine Verminderung von NGF (nerve growth factor) induzierte, während es durch BSO zu einem Abfall der Gluthationkonzentration kam. Bei den Tieren, die sowohl mit Hyperoxie als auch mit BSO behandelt wurden, konnte ein dramatischer Anstieg der Apoptose im Gehirn beobachtet werden. Daraus konnte geschlossen werden, dass sowohl Hyperoxie als auch mangelnder Antioxidationsschutz für vermehrte apoptotische Veränderungen im Gehirn verantwortlich sind. Möglicherweise ist dieser vermehrte Zelltod via Apoptose, ausgelöst durch Hyperoxie, verantwortlich für die Entstehung von bleibenden kognitiven Defiziten, die bei Frühgeborenen beobachtet wurden28.

1.2. Zytokine

1.2.1. Zytokine und Neurodegeneration im neonatalen Gehirn

Unter Zytokinen versteht man diverse Gruppen von Polypeptiden. Sie spielen unter anderem eine Rolle bei Entzündungen, immunologischen Vorgängen und bei Zelldifferenzierung bzw. Zelltod. Zu ihnen zählen Interleukine, Tumor-Nekrose-Faktoren und Chemokine. Zytokine haben viele verschiedene Wirkungen. Sie spielen eine große Rolle bei Reaktionen auf Organverletzungen, Infektionen und Entzündungen. Ihr Einfluss auf ZNS-Erkrankungen gewinnt zunehmend an Bedeutung in biologischen und klinischen Studien29 , 30.

Zytokine sind beteiligt als Mediatoren und Inhibitoren bei diversen Formen der Neurodegeneration und wirken über eine ganze Reihe von Mechanismen im ZNS31.

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In den letzten Jahren werden inflammatorische Prozesse fernab vom kindlichen Gehirn als Auslöser für zerebrale Schädigungen diskutiert. Neonatal auftretende Schädigungen der weißen Substanz, welche bei mehr als 10% der Frühgeborenen gefunden wurden32, können später sowohl zu motorischen, kognitiven, visuellen Defiziten wie auch zu Teilleistungsstörungen führen33 , 34. Immer mehr Studien favorisieren die Hypothese, dass ein inflammatorisches Geschehen der Schädigung der neonatalen weißen Substanz vorangeht oder begleitend zu ihr auftritt35 , 36 , 37. So wurden höhere Konzentrationen von Interleukinen im Nabelschnurblut von Kindern entdeckt, die später eine zerebrale Parese entwickelten36. Auslöser wie eine mütterliche Chorioamnionitis38 , 35 , 39 , 40oder auch kindliche inflammatorische Erkrankungen wie z.B. eine nekrotisierende Enterokolitis, sind mit einer schlechten neurologischen Prognose assoziiert41.

Vor allem die inflammatorischen Zytokine TNF-α, IL-1β, IL-18 und IL-6 spielen in der Pathogenese der PVL, des häufigsten neuropathologischen Befunds bei einer zerebralen Parese von Frühgeborenen, eine wichtige Rolle. Es zeigte sich, dass eine frühe inflammatorische Reaktion, charakterisiert durch eine frühe Makrophagenreaktion mit massiver Zytokinproduktion, verbunden ist mit dem ersten Stadium einer PVL (Koagulationsnekrose)42 , 43.

In den letzten Jahren ist vor allem IL-18 in den Mittelpunkt der Studien im Zusammenhang mit Infektionen und Neurodegeneration im unreifen Gehirn gerückt. Es zeigte sich, dass IL-18-Konzentrationen im Nabelschnurblut von gesunden termingerechten Neugeborenen nicht nachzuweisen waren, während sich bei 58% von gesunden Frühgeborenen ein positives IL-18-Ergebnis fand, was die Überlegung nach sich zog, dass das Vorhandensein von IL-18 im Nabelschnurblut mit einer zu frühen Geburt verbunden ist. Darüber hinaus fanden sich deutlich höhere Konzentrationen von IL-18 bei Frühgeborenen, die später eine PVL entwickelten, als bei Frühgeborenen, bei denen später keine PVL auftrat. Die erhöhten IL-18-Konzentrationen könnten für pränatale inflammatorische Reaktionen sprechen35.

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Die Erkenntnisse über den Beitrag von Zytokinen zur Neurodegeneration beruhen auf indirekten Beweisen, die hauptsächlich auf Veränderungen in der Expression und den Effekten rekombinanter Zytokine basieren, und vor allem auf direkten Studien, in welchen Ausschüttung und biologische Aktivität von endogenen Zytokinen näher bestimmt wurden31.

1.2.2. Hyperoxie und Zytokinproduktion

Eine Folge von Hyperoxie ist das Auslösen einer inflammatorischen Antwort mit erhöhter Zytokinproduktion in verschiedenen Organen. So ist die erhöhte Produktion von Zytokinen, verursacht durch Sauerstoffexposition, einer der Mechanismen, der im Frühstadium einer chronischen Lungenerkrankung bei Frühgeborenen eine Rolle spielt. Hyperoxie führt dabei zu einer Veränderung der Expression von inflammatorischen Zytokinen aus den Alvoelarmakrophagen44 , 45. Nach Sauerstoffexposition kommt es in der unreifen Lunge zu einer stark erhöhten Produktion von reactive oxygen intermediates (ROI), da nur ein unzulängliches Antioxidationssystem vorhanden ist46 , 47. In vielen Zelltypen aktivieren ROI Transkriptionsfaktoren wie NF-κB48. Die meisten der inflammatorischen Zytokine wie z.B. IL-1β, TNF-α, IL-6 und IL-8, welche in den Lungen von Frühgeborenen gefunden wurden, die später eine chronische Lungenerkrankung entwickelten, haben eine NF-κB-Zielsequenz in ihrer Promotorregion49. Dies könnte erklären, wie Sauerstoffexposition zu einer Expression dieser inflammatorischen Zytokine in vitro führt50 Darüber hinaus erklärt dieser Mechanismus, dass selbst eine Exposition mit kleinen Mengen von direktem Sauerstoff aufgrund des unreifen Antioxidationssystems ausreicht, um die initialen inflammatorischen Zeichen hervorzurufen, die dann zu einem CLD (chronic lung disease) führen51.

Im Rahmen ischämischer Reperfusion wurde eine Induktion der IL-18-Produktion beobachtet52. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass Hyperoxie, über NO und aktive freie Sauerstoffradikale, eine entscheidende Rolle für eine erhöhte IL-18-Produktion spielt, welche dann möglicherweise über eine IFN-γ Produktion zu Organschädigungen führt.

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Studien ergaben, dass eine Oxygenierung über die physiologischen Werte hinaus unter Umständen zu einem fetal inflammatory response syndrome (FIRS)und dadurch zu neurologischen Schädigungen bei unreifen Neugeborenen führen kann53.

1.2.3. Wirkungsmechanismen von Zytokinen

Wirkungen und Mechanismen der einzelnen Zytokine unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht, und die übliche Unterteilung in proinflammatorische und antiinflammatorische Zytokine ist nicht immer eindeutig und kann je nach Auslöser und Lokalisation des Geschehens variieren. Im Folgenden werden die Mechanismen nur beispielhaft an einigen in dieser Arbeit untersuchten Zytokinen aufgezeigt.

1.2.3.1. IL-1β und IL-18

IL-1β und IL-18 gehören zu den proinflammatorischen Zytokinen. Sie gleichen sich sehr in Struktur, Wirkungsweise, Rezeptoraffinität und Signaltransduktion54 , 55.

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IL-18, zunächst als IFN-γ-induzierender Faktor identifiziert, ist Mitglied der IL-1-Familie. Es ist ein pleiotropes Zytokin, welches von verschiedenen Zelltypen, wie Makrophagen, intestinalen Epithelzellen, Keratinozyten und Mikrogliazellen, exprimiert wird. IL-18 spielt bei der Immunabwehr eine wichtige Rolle, indem es verschiedene Zytokine (IFN-γ, GM-CSF und TNF-β), Fas-Ligand und NO induziert und die Zytotoxizität von NK-Zellen erhöht56 , 57 , 58. Darüber hinaus ist es in inflammatorische Reaktionen involviert. So spielt IL-18 z.B. eine Rolle bei der Schädigung des Lebergewebes im Rahmen einer Hepatitis59.

Sowohl IL-18 als auch IL-1β werden als inaktive Vorstufen synthetisiert und müssen von Caspase-1 (auch ICE, IL-1 converting enzyme) gespalten werden, um biologisch aktiv zu werden. Der Zusammenhang zwischen Caspase-1 und der Aktivierung von IL-1β und IL-18 spielt eine große Rolle bei Schädigungen des neonatalen Gehirns nach Hypoxie und Ischämie60 , 61. IL-1β und IL-18 teilen viele Eigenschaften. Zusätzlich scheint IL-18 die proinflammatorischen Effekte von IL-1β zu potenzieren und induziert in manchen Zellen vermutlich die IL-1β-Produktion62.

Beide Zytokine setzen an einem Membran-assoziierten IL-Rezeptor an und führen über die Aktivierung von MyD88, IRAK (IL-1-Rezeptor-assoziierte Kinase), TRAF-6 (TNF-Rezeptor-assoziierter Faktor 6) zur Aktivierung von NF-κB. Die Aktivierung dieses Transkriptionsfaktors führt zu einer Expression von proinflammatorischen Genen, z.B. iNOS (inducible nitric oxide synthase) 55 , 63. Durch iNOS kommt es zu einer verstärkten Schädigung des unreifen Gehirns64, und auch die Aktivierung von NF-κB scheint zur vermehrten Neurodegeneration nach Ischämie zu führen65.

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Des Weiteren kommt es nach der Bindung von IL-1β und IL-18 an die Rezeptoren innerhalb der ersten 15 Minuten zu einer Reihe von Phosphorylierungen, in deren Verlauf eine Aktivierung der MAP-Kinase auftritt66 , 67.

Darüber hinaus induzieren IL-1β und IL-18 die Expression von Chemokinen, wie z.B. IL-8, die chemotaktisch auf Monozyten, T-Zellen und eosinophile Granulozyten wirken. Studien haben gezeigt, dass es zu einer Aktivierung dieses Chemokinsystems im unreifen Gehirn nach Hypoxie/Ischämie kommt68 und IL-1β und IL-18 so zum Schädigungsvorgang beitragen69. Eine weitere wichtige Funktion von IL-18 ist die Induktion der Zytokinproduktion (IL-2 und IFN-γ) der T-Helferzellen-1 (Th1-Zellen), was im Synergismus mit IL-12 geschieht. Durch IL-18 und IL-12 stimuliert werden nicht nur Th1-Zellen, sondern auch natürliche Killerzellen (NK) und aktivierte B-Zellen 56

IL-18 trägt sowohl indirekt über diese inflammatorische Reaktion als auch direkt über eine Steigerung der Zytotoxizität der Immunzellen zum Schädigungsvorgang bei. IL-18 steigert die zytotoxische Aktivität der Immunzellen durch eine Hochregulation der Fas-Ligand-Expression auf NK und Th1-Zellen70, und durch Perforin vermittelt es eine gesteigerte zytotoxische Aktivität von NK71.

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Darüber hinaus konnte eine Expression von IL-18R auf Neuronen beobachtet werden, was nahe legt, dass IL-18 möglicherweise bisher unbekannte Einflüsse auf Neurone hat63.

Abbildung 1: Signaltransduktion von IL-18 und IL-1β

1.2.3.2. IL-10

IL-10 wird im ZNS von Astrozyten und Mikrogliazellen synthetisiert und gehört zu den anti-inflammatorischen Zytokinen. Studien haben gezeigt, dass dieses Interleukin die Degeneration von Neuronen nach ZNS-Verletzungen reduzieren kann72 , 73. Das geschieht zum einem durch seine antiinflammatorische Wirkung, indem es die Synthese von inflammatorischen Zytokinen, wie TNF-α und IL-1β, hemmt74 , 75. Darüber hinaus schützt IL-10 aber auch vor dem von Glutamat vermittelten Zelltod. Nach ZNS-Verletzungen kommt es zu einer abnormen Ausschüttung von Glutamat, was signifikant zur neurologischen Entwicklung beiträgt. Durch die Ausschüttung von Glutamat kommt es zur Aktivierung des Glutamatrezeptors, eines NMDA-Subtyps, was letztlich zu einem unnatürlichen Einstrom von Ca2 in die Neuronen und damit zum Zelltod führt76. IL-10 inhibiert nun diesen glutamatvermittelten apoptotischen Zelltod, indem es die Aktivität von proapoptotischen Faktoren blockiert. Proteasen, wie Caspase-3 und Transkriptionsfaktoren, wie der Kernfaktor NF-κB, spielen bei der Zelltoxizität von Glutamat eine entscheidende Rolle. IL-10 vermindert nicht nur den glutamatvermittelten Anstieg der Aktivität von Caspase-3, sondern induziert sogar einen rapiden Abfall der Caspase-3 Aktivität. Darüber hinaus blockiert IL-10 die durch Glutamat induzierte DNA-Bindungsaktivität von NF-κB77.

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Die neuroprotektive Wirkung von IL-10 beruht also im Wesentlichen auf zwei Ansatzpunkten: dem antiinflammatorischen Effekt und der Reduktion der durch Glutamat vermittelten Apoptose.

1.3. Wachstumsfaktoren

1.3.1. Die Bedeutung der Neurotrophine im sich entwickelnden Gehirn

Wachstumsfaktoren sind ebenso wie die Zytokine Polypeptide, welche an transmembranäre Rezeptoren binden und eine spezifische, intrazelluläre Antwort auslösen. Der Begriff Zytokine wurde geprägt, um die Gruppe der immunmodulatorischen Proteine von den anderen, das Wachstum und die biologische Aktivität der nicht immunkompetenten Zellen und Gewebe modulierenden Wachstumsfaktoren abzugrenzen.

Zu der Familie der Wachstumsfaktoren gehören die Neurotrophine NGF (nerve growth factor), BDNF (brain-derived neurotrophic factor), NT-3, NT-4 und NT-5. Diese Neurotrophine spielen eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Erhaltung der Neurone im sich entwickelnden Gehirn durch Regulierung der Apoptose (s. Kapitel 1.5.). Sie aktivieren diverse intrazelluläre Signale, die das Zellüberleben unterstützen. Die sich entwickelnden Neurone brauchen die trophische Unterstützung der Wachstumsfaktoren, daher kommt es bei einem Verlust der Neurotrophine zur Aktivierung des programmierten Zelltodes78. Dabei gibt es die Hypothese, dass nur funktionierende Neurone mit korrekten synaptischen Verbindungen die Unterstützung von Wachstumsfaktoren erhalten79. So wird durch diesen kontrollierten physiologischen Zelltod erreicht, dass die überflüssigen, funktionslosen Neurone eliminiert werden, um den Ablauf im funktionierenden Gewebe nicht zu stören.

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Darüber hinaus haben diverse Studien gezeigt, dass Neurotrophine, vor allem NGF, BDNF und NT-3, die Neurone des ZNS bei einem hypoxischen/ischämischen Insult vor ihrem Zelltod schützen können. Diese protektive Wirkung konnte vorwiegend im neonatalen Gehirn von Ratten nachgewiesen werden80 , 81. In Kulturen schützt BDNF außerdem vor dem von Glutamat vermittelten neuronalen Zelltod durch Blockierung des schädigenden Anstiegs des freien Ca2 im Zytosol, das von toxischen Konzentrationen von Glutamat hervorgerufen wird82.

1.3.2. Wirkungswege der Neurotrophine

Neurotrophine binden und aktivieren Trk-Rezeptoren (Tyrosinkinaserezeptoren), TrkA, TrkB und TrkC, welche an der Zelloberfläche sitzen und eine intrinsische Tyrosinkinaseaktivität besitzen. Die Regulierung der Apoptose durch Neurotrophine geschieht durch die Aktivierung von Proteinkinasekaskaden, die über Schlüsselelemente - wie zum einen die Phosphoinositol-3-Kinase (PI[3]K) und Akt und zum anderen über Shc und die mitogenaktivierte Proteinkinase (MAPK) - verlaufen (s. Abb.2)83.

Abbildung 2: Signalwege des neuronalen Überlebens, induziert durch die Bindung von NGF an den TrkA-Rezeptor

Signaltransduktion über PI(3)K und Akt

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Die Vermutung, dass die Signaltransduktion über PI(3)K eine zentrale Rolle beim Überleben der Neurone spielen könnte, kam auf, als man beobachtete, dass PI(3)K-Inhibitoren den Überlebenseffekt von NGF blockieren84. Die aktiven PI(3)K-Enzyme regulieren die Lokalisation und Aktivität einer Schlüsselkomponente im Zellüberleben, die Ser/Thr Kinase Akt85. Akt hat verschiedene Schlüsselproteine als Ziel, die die Zelle überleben lassen. So zum Beispiel Bad, ein proapoptotisches Mitglied der Bcl-2-Familie, welches in unphosphorylierter Form Bcl-xL binden und so das Zellüberleben blockieren kann. Über Akt kommt es zur Phosphorylierung von Bad, sodass die proapoptotische Aktivität von Bad inhibiert wird86. Darüber hinaus wirkt sich Akt direkt oder indirekt auf drei Transkriptionsfaktoren aus, welche alle in die Regulierung des Zellüberlebens involviert sind. Durch die Phosphorylierung von Forkhead durch Akt kommt es zu einer negativen Regulierung der den Zelltod fördernden Signale, während die Phosphorylierung von CREB (cAMP response element binding protein) und NF-κB Überlebenssignale stimuliert87 , 88. Akt ist also eine potente Kinase, die auf verschiedenen Wegen die Neurone am Leben erhält.

Signaltransduktion über MAPK

Über den PI(3)K- und Akt-Weg hinaus wirken die Neurotrophine nach der Aktivierung des Trk-Rezeptors noch über andere Signaltransduktionswege. Sie stimulieren auch das Andocken von Shc an den aktivierten Trk-Rezeptor. Das triggert die Aktivierung des kleinen GTP-bindenden Proteins Ras und im Verlauf der Kaskade die Phosphorylierung und Aktivierung der Kinasen Raf und MAPK, bzw. ERK (extracellular signal-regulated protein kinase) 89. Die Effekte über den Weg der MAPK für das Zellüberleben werden zum großen Teil über die aktivierte pp90-ribosomal-S6-Kinase (RSK) vermittelt. Wie durch Akt wird Bad von RSK phosphoryliert und so in seiner proapoptotischen Aktivität inhibiert. Außerdem kommt es durch RSK zu einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors CREB, welcher die Transkription von Bcl-2 steigert und das Zellüberleben direkt stimuliert.

Obwohl der Signalweg über PI(3)K-Akt und der MAPK-Signalweg nach dem Neurotrophinrezeptor unterschiedlich verlaufen, laufen sie schließlich in Bad und CREB zusammen, um das Apoptoseprogramm zu inhibieren83.

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Wie kommt es nun zum Absterben der Zelle durch die Abwesenheit von Neurotrophinen? Das Entfernen von NGF führt zu einer Abnahme der MAPK- und PI(3)K-Aktivität, gefolgt von einer ganzen Reihe früher Veränderungen wie einem Anstieg des reaktiven O2,einem Abfall der Glukoseaufnahme und einem Abfall der RNA- und Proteinsynthese. In manchen Zellen kommt es nach einem NGF-Wegfall zum Anstieg von JNK (c-Jun N-terminal Kinase), was zu einer Aktivierung der neuronalen Apoptose führt90.

Studien zeigen allerdings auch, dass Neurotrophine bzw. ihre Vorstufen, die so genannten Proneurotrophine, proapoptotische Wirkung besitzen. So ist z.B. ProNGF ein Ligand mit hoher Affinität für p75NTR und induziert p75 NTR-abhängige Apoptose in Neuronenkulturen mit minimaler Aktivität von TrkA-vermittelter Differenzierung oder Zellüberleben.

Reife Neurotrophine binden selektiv an die Trk-Rezeptoren und fördern so das Zellüberleben, aber sie interagieren auch mit einer geringen Affinität mit dem strukturell deutlich unterschiedlichen Rezeptor p75 NTR. Obwohl p75 NTR die Affinität und Spezifität der Trk-Neurotrophin-Interaktion erhöhen kann, induziert p75 NTR auch Apoptose in Oligodendrozyten und Neuronen bei reduzierter oder fehlender Trk-Aktivität91 , 92.

1.3.3. Neurotrophine und Hyperoxie

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In vitro Studien haben gezeigt, dass Hyperoxie apoptotische Neurodegeneration induzieren kann, welche Wachstumsfaktoren erfolgreich unterdrücken. Dabei wurde beobachtet, dass PC12h-Zellen (eine Subklonart von P12-Zellen) unter Hyperoxie (50% O2) starben. Zum Zelltod kam es nicht, wenn Antioxidanzien dazugegeben wurden. In den abgestorbenen Zellen konnten DNA-Fragmente und Chromatinkugeln beobachtet werden, was den Schluss nahe legt, dass Hyperoxie via ROS (reactive oxygen species) zur Apoptose führt. Durch NGF konnte diese Apoptose durch Hochregulierung von Bcl-2 effektiv unterdrückt werden27.

Des Weiteren zeigten in vivo Studien mit 2 Tage alten Ratten, die einer Hyperoxie (95% O2) ausgesetzt wurden, dass Hyperoxie zu einer Abnahme der NGF-Konzentration im Gehirn und so zu vermehrter apoptotischer Neurodegeneration führte28.

In vivo konnte eine protektive Wirkung von ERK, einem Teil der MAPK-Familie, bei DNA-Schädigungen und Apoptose infolge von Hyperoxie festgestellt werden. In einem Rattenmodell zur hyperoxischen Lungenschädigung zeigte sich, dass es über die aktivierte MAPK zu einem spezifischen Schutz gegen den durch Sauerstoff induzierten DNA-Strangbruch und Apoptose kam, welcher nicht auftrat bei Gabe eines Inhibitors der MAPK93.

1.4. Die Periode des rapiden Hirnwachstums („Brain growth spurt period“)

↓17

Das Säugerhirn durchläuft während seiner Entwicklung eine Phase des rapiden Hirnwachstums, die 1974 von Dobbing als „brain growth spurt period“ beschrieben wurde. Während dieser Phase spielen sich viele wichtige Vorgänge im Gehirn ab: Migration und Differenzierung von Nervenzellen, Synaptogenese, bei der Trillionen von synaptischen Verbindungen gebildet werden, wie auch die Eliminierung überflüssiger Neuronen, die durch zelluläre Vorgänge reguliert werden (s. Apoptose) 94 , 95. In den letzten Jahren wurde immer deutlicher, dass das unreife Gehirn in der Periode des rapiden Hirnwachstums extrem anfällig ist für einen pathologisch erhöhten Neuronenuntergang als Reaktion auf verschiedene schädigende Einflüsse wie z.B. Hypoxie/Ischämie96, Schädeltrauma97 , 98und pharmakologische Wirkstoffe99 , 100.

Der Zeitraum, in der diese Periode stattfindet, unterscheidet sich bei den verschiedenen Spezies. Beim Menschen beginnt er im sechsten Schwangerschaftsmonat und endet zu Beginn des dritten Lebensmonats. Die Hirnwachstumsgeschwindigkeit während dieser Periode folgt einem sigmoidalen Kurvenverlauf, dessen Höhepunkt zum Zeitpunkt der Geburt erreicht ist. Demgegenüber umfasst die Periode des rapiden Hirnwachstums bei der Ratte die ersten drei postnatalen Lebenswochen mit einer maximalen Hirnwachstumsgeschwindigkeit zwischen dem sechsten und zehnten Lebenstag. Um Phänomene zu modellieren, die sich im menschlichen Gehirn während der Periode des rapiden Hirnwachstums abspielen, wird die Ratte während der vergleichbaren ontogenetischen Phase als Tiermodell benutzt94, 95.

Abbildung 3: Die Periode des rapiden Hirnwachstums („brain growth spurt period“)

1.5. Apoptose

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Im sich entwickelnden Gehirn sind der exzitotoxische Zelltod und vor allem die Apoptose die vorherrschenden Formen des Zelltods. Das Phänomen der Apoptose ist seit mehr als hundert Jahren bekannt101, doch erst seit den siebziger Jahren werden ihre Auslöser und ihre genetische Regulation systematisch untersucht. Die Apoptose ist ein sehr koordinierter und komplexer Vorgang, bei dem es zum Untergang und zur Entfernung unreifer oder geschädigter Neuronen kommt. Diese regulierte Selbstzerstörung der Zelle ermöglicht dem Organismus eine Kontrolle der Zellzahl und schützt ihn so vor „überflüssigen“ Zellen, die das Funktionsgleichgewicht stören würden102. Die Apoptose der Neuronen formt also das sich entwickelnde Gehirn durch diese Art des kontrollierten physiologischen Zelltods. Die im Rahmen der Hirnentwicklung im Überschuss produzierten Neurone werden so auf ungefähr die Hälfte ihrer Ausgangszahl reduziert. Auf allen Stufen der neuronalen Reifung kann der programmierte Zelltod nachgewiesen werden, am häufigsten sind jedoch reife Neurone betroffen, die bereits über Verbindungen zu afferenten und efferenten Zellen verfügen103. Die Apoptose spielt aber ebenso eine wichtige Rolle bei akuten und chronischen neurodegenerativen Erkrankungen. Getriggert wird die Apoptose unter anderem durch den Verlust von Wachstumsfaktoren, DNA-Schädigungen, Zytokinproduktion, Aktivierung von Todesrezeptoren und die Ausschüttung von Zytochrom C aus den Mitochondrien ins Zytoplasma83 , 104 , 105. Im Folgenden werden nur einige wenige Aspekte herausgegriffen.

1.5.1. Morphologische Kennzeichen der Apoptose

Kennzeichnend für den apoptotischen Zelltod sind eine primäre DNA-Fragmentation in ca.180 Basenpaar große Stücke, die Kondensation von Nukleoplasma und Zytoplasma, Bildung apoptotischer Körperchen und Phagozytose dieser Körperchen, ohne dass es zu einer Freisetzung proinflammatorischer Zellbestandteile kommt. Eine Entzündungsreaktion in der Umgebung bleibt aus. Diese morphologischen Veränderungen wurden zum ersten Mal von Kerr und Mitarbeitern in Leberzellen beschrieben106.

Ishimaru et al.107 studierten am Gehirn zwei Tage alter Ratten den Ablauf der ultrastrukturellen Veränderungen von Neuronen, die im Rahmen der physiologischen Apoptose degenerierten. Die ersten Veränderungen werden im Nukleoplasma sichtbar. Die ursprünglich homogene Masse verklumpt und flockt aus. Es bilden sich Chromatinkugeln, indem sich „Chromatinklumpen“ aneinander legen. Parallel dazu zerfällt die Kernmembran, sodass Zyto- und Nukleoplasma sich vermischen können. Dadurch verteilen sich die Chromatinkugeln aus dem Nukleus in der ganzen Zelle. Der Aufbau der Kernmembran aus zwei Schichten bleibt weiterhin erkennbar.

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Die Organellen des Zytoplasmas bleiben weitgehend unbeeinträchtigt von diesen Vorgängen, lediglich die Mitochondrien schwellen etwas an. Zuletzt schnürt die Zelle Zellfragmente, die so genannten apoptotic bodies, ab, die im Neuropil verbleiben und dort abgebaut werden.

Anhand dieser morphologischen Kriterien kann man die Apoptose von der Nekrose, der anderen wichtigen Form des Zelltodes, abgrenzen.

1.5.2. Die genetische Regulation der Apoptose

Die apoptotische Zelltodkaskade wird von einem intra- oder einem extrazellulären Triggerfaktor in Gang gesetzt, dementsprechend spricht man vom extrinsischen oder intrinsischen Weg. Beide führen letztlich über Aktivierung der Caspasen zum Zelltod. Die meisten der von Kerr et al.106 beobachteten morphologischen Veränderungen werden verursacht durch eine Gruppe von Cysteinproteasen, die vor allem in apoptotischen Zellen aktiviert sind. Diese homologen Proteasen sind Teil einer großen Proteinfamilie und bekannt als Caspasen. Sie spielen die zentrale Rolle bei der Zerstörung der Zelle. Tatsächlich kann durch Elimination der Caspaseaktivität (durch Mutation oder pharmakologische Hemmstoffe) die Apoptose verlangsamt oder sogar ganz aufgehalten werden102. Caspasen können anhand einer Sequenz in ihrer Pro-Domaine klassifiziert werden. Caspasen mit einer „Todeseffektordomaine“, wie Caspase-8 und Caspase-10, werden aktiviert durch die Interaktion mit der intrazellulären Domaine von Todesrezeptoren (z.B. Fas/CD 95/Apo-1 oder TNF-Rezeptoren). Caspasen mit CARDs (caspase activating recruitment domains) wie Caspase-1, -2, -4, -5, -9, -11 und -12 werden meist durch einen intrazellulären Komplex aktiviert, beispielsweise durch den Zytochrom C/Apaf-1/Caspase 9-Komplex108.

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Durch die Bindung eines Liganden an den so genannten Todesrezeptor Fas (Apo-1, CD 95) kommt es zur Aktivierung des extrinsischen Weges. Dieser Rezeptor sitzt an der Zelloberfläche und gehört zur TNF(Tumor-Nekrose-Faktor)-Familie. Über die Aktivierung der Caspase-8 kommt es zum Zelltod109 , 110 , 111.

Apoptose durch DNA-Strangbrüche bei Bestrahlung112, Entzug des Wachstumsfaktors NGF113 oder Zellschädigungen durch freie Radikale im Rahmen von Hyperoxie114 sind Beispiele für die Aktivierung des intrinsischen Weges. Dabei kommt es zur Ausschüttung von Zytochrom C aus den Mitochondrien in das Zytoplasma. Dort bindet es sich an Apaf-1, wodurch es zur Aktivierung der Caspase-9 und damit der apoptotischen Kaskade kommt115. In der Folge werden verschiedene Proteinkinasen aktiviert und Transkriptionsfaktoren phosphoryliert. Beispielhaft seien hier die c-Jun N-terminal-Kinasen (JNKs) erwähnt. Diese Enzyme phosphorylieren nach ihrer Aktivierung den Transkriptionsfaktor c-Jun, der nun seinerseits die Transkription proapoptotischer Gene auslöst116. In dieser Kaskade ist auch eine intrazelluläre Kontroll- und Modifikationsphase enthalten, in der die Proteine der Bcl-Familie eine Schlüsselrolle spielen117. So kommt es über Wachstumsfaktoren (growth factors) zu einer gesteigerten Aktivität von CREB (cAMP responsive element binding protein), Bcl-xL und Bcl-2, was eine Ausschüttung von Zytochrom C aus den Mitochondrien und damit den intrinsischen Weg der Apoptose verhindert.

Über die verschiedenen Caspasen kommt es schließlich zur Zellschrumpfung, Membranschwellung, DNA-Fragmentation und zur Verhinderung der DNA-Reparation, was schließlich zum Zelltod führt118.

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Abbildung 4: Die apoptotische Kaskade

1.6. Formulierung der zentralen Fragestellung

In der Einleitung wurde beschrieben, dass die hohe Inzidenz von bleibenden motorischen und kognitiven Beeinträchtigungen von Frühgeborenen nicht ausreichend erklärt werden kann. Es wurde auch der Zusammenhang zwischen Hyperoxie und apoptotischer Vorgänge in den Neuronen des sich entwickelnden Gehirns dargestellt, wie auch die Wirkungsmechanismen der Wachstumsfaktoren und Zytokine.

Die zentrale Fragestellung der vorliegenden Arbeit ist nun, wie sich ein erhöhtes Sauerstoffangebot auf das unreife Gehirn auswirkt und welchen Einfluss es auf die Expression von apoptotischen Genen, Wachstumsfaktoren und Zytokinen hat.

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Dazu wurde ein Tierversuchsmodell mit 6 Tage alten Ratten entwickelt, um den Zusammenhang zwischen Hyperoxie, Apoptose und deren regulierenden Faktoren und inflammatorischen Prozessen im sich entwickelnden Gehirn zu untersuchen.


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26.10.2005