5. Diskussion

5.1. Allgemeine Betrachtung

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Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Exposition des sich entwickelnden Rattengehirns mit hohen Sauerstoffkonzentrationen in einer Zeitspanne von Stunden eine massive apoptotische Neurodegeneration zur Folge hat. Die neurodegenerativen Veränderungen betrafen eine große Anzahl von Neuronen in mehreren wichtigen Regionen des sich entwickelnden Gehirns. Es zeigte sich, dass Hyperoxie Einfluss auf verschiedene Faktoren ausübt, die im neuronalen Überleben eine entscheidende Rolle spielen.

In dieser Arbeit wurde ein neues Tiermodell etabliert, um Auswirkungen von Hyperoxie auf das unreife Gehirn zu untersuchen. Wegen der Ähnlichkeit zum menschlichen Gehirn wurden Wistar-Ratten als experimentelles Modell ausgesucht. 6 Tage alte Ratten wurden definierte Zeiträume (2–72std) mit 80% Sauerstoff exponiert.

Es wurde in dieser Arbeit mit Hilfe von RT-PCR und Western Blot der Beweis erbracht, dass es durch hyperoxische Bedingungen zu Veränderungen der Genexpressionen und Phosphorylierung von Proteinen kommt, die das neuronale Überleben während der Entwicklung kontrollieren. So führte Hyperoxie zu einer verminderten Synthese von BDNF, NGF, NT-3 und GDNF und reduzierte auf Proteinebene die aktivierten Formen von Akt und MAPK nach bestimmten Zeiträumen, was ein Ungleichgewicht der neuroprotektiven und neurodestruktiven Mechanismen zur Folge hat. In der Periode des rapiden Hirnwachstums, in der die physiologische Eliminierung von Gehirnzellen ein wichtiger Bestandteil ist, führt ein solches Ungleichgewicht zu vermehrter pathologischer apoptotischer Neurodegeneration.

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Neben dem histologischen Bild apoptotischer Zellen zeigten die untergegangenen Zellen auch eine vermehrte Expression des Todesrezeptors Fas und eine gesteigerte Spaltung der Effektorcaspase-3 als weiteren spezifischen Nachweis, dass es infolge von Hyperoxie zum apoptotischen Zelltod kommt.

In dieser Arbeit wurden darüber hinaus andere mögliche Mechanismen untersucht, die nach Exposition mit hohen Sauerstoffkonzentrationen zu Schädigungen des sich entwickelnden Rattengehirns beitragen. Es zeigte sich innerhalb weniger Stunden ein deutlicher Anstieg von IL-1β und IL-18, zwei Caspase-1-abhängigen inflammatorischen Zytokinen, sodass man davon ausgehen kann, dass zusätzlich eine starke inflammatorische Antwort zu vermehrter Neurodegeneration führt.

Auch das untersuchte antiinflammatorische IL-10 zeigte einen signifikanten Anstieg, was als möglicher Kompensationsmechanismus gesehen werden kann.

5.2. Hyperoxie führt zu Apoptose

5.2.1. Apoptotische Neurodegeneration als Folge von Hyperoxie im sich entwickelnden Rattengehirn

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Die Ergebnisse zeigen, dass die Exposition des sich entwickelnden Rattengehirns mit hohen Konzentrationen von Sauerstoff in einem Zeitraum von wenigen Stunden zu einer neurodegenerativen Reaktion führt, in deren Folge es zu einem massiven Absterben einer großen Anzahl von Neuronen in mehreren wichtigen Hirnregionen kommt. Ein maximales Vorkommen apoptotischer Neurodegeneration wurde nach 24std Hyperoxie beobachtet. Die schematische Darstellung zeigt eine disseminierte Verteilung des durch Hyperoxie induzierten Zelltodes in den Rattengehirnen (s. Abb.6F). Betroffen sind kortikale Areale, die Basalganglien, Hypothalamus, Hippocampus und Bahnen der weißen Substanz.

Eine Vielzahl von Studien haben die vorherrschende Rolle der Apoptose als Zelltod im unreifen Gehirn hervorgehoben126. Das es sich bei der durch Hyperoxie induzierten Neurodegeneration um einen apoptotischen Zelltod handelt, wurde in dieser Arbeit durch histologische, immunhistochemische und molekulare Studien bestätigt. Degenerierte Zellen wurden mit Hilfe der DeOlmos Kupfersilberfärbung und der TUNEL-Technik sichtbar, und es zeigten sich deutlich die morphologischen Kennzeichen eines apoptotischen Zelltodes.

5.2.2. Einfluss von O2 auf Fas und Caspase-3

Weitere Beweise für Apoptose als Ursache der Neurodegeneration wurden auf molekularer Ebene erbracht, indem Faktoren, die Teil der apoptotischen Zelltodkaskade sind, analysiert wurden. Mit Hilfe von RT-PCR und Western Blot zeigte sich eine Hochregulierung des Zelloberflächenrezeptors Fas, über welchen es zur Aktivierung des extrinsischen Weges der Apoptose kommt. Darüber hinaus fand sich die aktivierte Form der Effektorcaspase-3 in Neuronen mit morphologischen Zeichen von Apoptose, hinweisend auf das Endstadium der Selbstzerstörungsmaschinerie127. Die Proteinexpression von Fas zeigte sich in denselben Hirnregionen, in denen sich durch die histologische Auswertung vermehrt apoptotische Neurodegeneration darstellte, vor allem in Kortex und Thalamus. Beide Faktoren werden im unreifen Gehirn konstitutionell exprimiert128 , 129. Fas und Caspase-3 initiieren und exekutieren die apoptotische Kaskade in einer Reihe von Krankheitsmodellen im adulten wie auch im sich entwickelnden Gehirn130 , 131 , 132

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In dieser Studie wurde die Aktivität von Fas und Caspase-3 zusätzlich zu den histologischen Methoden ausgesucht, als repräsentative Marker der Apoptose im vorliegenden Modell der Sauerstofftoxizität im sich entwickelnden Gehirn. Die Ergebnisse deuten auf eine Beteiligung des Todesrezeptors und der Caspase hin, schließen jedoch nicht die Möglichkeit aus, dass andere Zelltod und -überleben fördernde Faktoren der Apoptosemaschinerie ebenfalls zu dem Hyperoxie-induzierten Zelltod im unreifen Gehirn beitragen.

5.2.3. Gesteigerte Vulnerabilität des sich entwickelnden Gehirns für Hyperoxie

In den letzten Jahren wurden mehr und mehr „stillere“ Auslöser des Zelltodes im sich entwickelnden Gehirn entdeckt und untersucht. So wurde beschrieben, dass Wirkstoffe, welche als Sedativa99,Anästhetika100, 133oder Antikonvulsiva134 in neonatalen Intensivstationen eingesetzt werden und die physiologische Aktivität der Synapsen verändern, als Antagonisten am N-Methyl-D-Aspartat(NMDA)-Rezeptor (Ketamin, N 2 O), als Agonisten am GABAA-Rezeptor (Barbiturate, Benzodiazepine, Anästhetika) oder als Natriumkanalblocker (Phenytoin, Valproinsäure) massive apoptotische Neurodegeneration in infantilen Ratten- und Mäusegehirnen auslösen können. Dieser neurotoxische Effekt in Nagetieren ist streng begrenzt auf einen Entwicklungsabschnitt, der als Periode des rapiden Hirnwachstums (s. Kapitel 1.4.) beschrieben wird. Beim Menschen beginnt diese Periode pränatal und hat ihren Höhepunkt zum Zeitpunkt der Geburt95, 99, 100, 134.

Genaue Mechanismen, welche der gesteigerten Sensitivität des unreifen Gehirns gegen schädigende Einflüsse zugrunde liegen, sind bisher weitgehend unbekannt. Man geht unter anderem davon aus, dass entwicklungsbedingte Veränderungen im NMDA-Rezeptorsystem eine Rolle spielen. Das Tiergehirn hat eine gesteigerte Empfindlichkeit in der ersten Lebenswoche, was mit einer hypersensitiven Phase mit maximaler Vulnerabilität am siebten postnatalen Tag für NMDA übereinstimmt 96 . Neuere Studien vermuten, dass das neuronale Überleben über den NMDA-Rezeptor während des frühen neonatalen Lebens unterstützt wird 100 . Dies lässt sich auf signifikante entwicklungsbedingte Veränderungen der NMDA-Rezeptoruntereinheiten zurückführen 135

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Ein Grund für eine erhöhte Empfindlichkeit des sich entwickelnden Gehirns gegen Sauerstoff ist ein unreifes zelluläres Antioxidationssystem136 , 137. So sind frühgeborene neonatale Tiere nicht in der Lage, Antioxidationssysteme wie die Superoxiddismutase, Katalase oder Glutathionperoxidase nach exzessiver Sauerstoffexposition adäquat hochzuregulieren12. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass Hyperoxie im unreifen Gehirn eine massive Produktion von freien Sauerstoffradikalen, wie iNOS und Peroxynitrat, induziert 138 . In neuen Studien konnte eine Modulation der NMDA-Rezeptorfunktion durch freie Sauerstoffradikale nachgewiesen werden 139

Interessanterweise scheinen auch alte Tiere empfindlich gegen Sauerstofftoxizität zu sein, was auf eine Abnahme der intrazellulären Antioxidations-Schutzmechanismen zurückzuführen ist 140

Darüber hinaus sind menschliche Frühgeborene eventuell besonders empfindlich für schädigende Effekte von Sauerstoff. Dies liegt vor allem daran, dass für Frühgeborene die postnatalen Konditionen mit arteriellen Sauerstoffpartialdrücken (PaO2) von 50–70 Torr immer hyperoxisch sind verglichen mit intrauterinen Bedingungen, wo der durchschnittliche PaO2 ca. 32 Torr in der Umbilikalvene und 22 Torr in der Aorta descendens beträgt141 , 142.

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Studien des Gehirns mit Magnetresonanz-Spektroskopie zeigen, dass der zerebrale Metabolismus bei frühgeborenen Kindern im Vergleich zu reifen Neugeborenen differiert143 , 144.

Es zeigt sich also, dass Neurone besonders in der Phase des rapiden Hirnwachstums eine gesteigerte Empfindlichkeit gegen viele Einflüsse haben. Dadurch ergibt sich die Gefahr, dass menschliche Frühgeborene durch verschiedene Behandlungen, die beim erwachsenen Patienten als ungefährlich gelten, iatrogen Hirnschädigungen erleiden. Hyperoxie könnte in diesem Zusammenhang, besonders in Anbetracht der erhöhten Empfindlichkeit des sich entwickelnden Gehirns für Sauerstoff, ein besonders potenter Auslöser diffuser Neurodegeneration im Gehirn Frühgeborener sein.

5.3. Hyperoxie führt zur Herabregulierung der Wachstumsfaktoren

Die Ergebnisse zeigen, dass es durch Hyperoxieexposition zu Veränderungen der Genexpression und Phosphorylierung der Proteine kommt, die das neuronale Überleben während der Entwicklung kontrollieren. Hyperoxie führt zu einer stark verminderten Synthese von BDNF, NGF, und NT-3 und reduziert die aktiven Formen von Akt und MAPK. Zwischen 2 und 6std Sauerstoffexposition kam es zu einem maximalen Abfall der mRNA-Expression der Wachstumsfaktoren, die nach 24std wieder den Ausgangswert erreichte. Dazu korrelierte auf Proteinebene der Abfall der Proteinexpression von Akt und MAPK im Western Blot mit einem Maximum nach 12std.

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Diese Veränderungen bringen eine Schwäche der überlebensfördernden Signale zum Ausdruck und ein Ungleichgewicht zwischen neuroprotektiven und neurodestruktiven Mechanismen im Gehirn145. Dieses fördert in einer sensiblen Entwicklungsphase, die durch eine ständige physiologische Eliminierung von Gehirnzellen geprägt ist, massiv den apoptotischen Zelltod.

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass Hyperoxie zu Schädigungen der unreifen Lunge und Retina führt. Sauerstofftoxizität ist beteiligt an der Pathogenese der bronchopulmonalen Dysplasie und der Retinopathie Frühgeborener2, 3. Apoptose wurde als eine der Zelltodformen identifiziert, die im Kontext mit Hyperoxie-induzierten Organschädigungen auftreten146 , 93, 147. Studien haben gezeigt, dass der apoptotische Zelltod in Lunge und Retina, ausgelöst durch Hyperoxie, durch die Aktivierung von ERK1/2 (einem Mitglied der MAPK-Familie) und Akt und durch Wachstumsfaktoren eingedämmt werden kann93, 146, 147. Eine pathogenetische Rolle von oxidativem Stress, induziert durch Hyperoxie, wurde ebenfalls beschrieben 148.

In dieser Arbeit werden die gleichen Mechanismen identifiziert, die zu dem durch Hyperoxie induzierten apoptotischen Zelltod im sich entwickelnden Nagetiergehirn führen, wie sie in anderen Organen beschrieben wurden. Es wird gezeigt, dass Hyperoxie die endogene Neurotrophinsynthese hemmt. Da der apoptotische Zelltod, ausgelöst durch Hyperoxie, in den oben genannten Studien durch Wachstumsfaktoren eingedämmt werden konnte, liegt es nahe, dass die in dieser Arbeit aufgezeigte massive Verminderung der Neurotrophinexpression und der aktivierten Formen von Akt und ERK eine vermehrte Apoptose zur Folge hatte.

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Ergebnisse von Tierstudien über die Neurotrophinexpression unter pathologischen Bedingungen im unreifen Gehirn sind teilweise kontrovers und abhängig von der Schädigungsart und von dem verwendeten experimentellen Modell. Bei durch Pilocarpin induzierten Krampfanfällen und traumatischen Verletzungen des sich entwickelnden Gehirns wurde eine Hochregulierung der Neurotrophine beobachtet149 150, wohingegen Ethanol und Antiepileptika zu einer Verminderung der Neurotrophine führten134, 151. Darüber hinaus hatte die intrazerebroventrikuläre Injektion von BDNF eine signifikante protektive Wirkung auf das unreife Gehirn in einem hypoxisch-ischämischem Modell 152

Der Anstieg der Expression der Wachstumsfaktoren und von Akt und ERK1/2 nach 24std auf den Ausgangslevel zurück ist wahrscheinlich auf endogene Kompensationsmechanismen zurückzuführen. Möglicherweise kam es zu einer gesteigerten Neurotrophinexpression umliegender, nicht geschädigter Neurone. Letztlich bleiben diese Mechanismen in dieser Arbeit jedoch ungeklärt.

Ebenso bleiben andere Mechanismen ungeklärt, die im Rahmen dieser Versuche nicht untersucht wurden, wie z.B. der des silencing of survival signals (SOSS) über eine Rezeptormodulation durch proinflammatorische Zytokine. Es ist bekannt, dass proinflammatorische Zytokine die Synthese von antiinflammatorischen Zytokinen inhibieren. Einige Studien zeigen aber, dass sie auch die intrazellulären Aktionen anderer Rezeptoren hemmen können 153 154 . So inhibieren TNF-α und IL-1 möglicherweise die Fähigkeit des phosphorylierten IGF-1-Rezeptors, die PI(3)-Kinase zu aktivieren 155 . Es ist nicht auszuschließen, dass es über die hier untersuchten proinflammatorischen Zytokine IL-1β und IL-18 in dieser Weise zu einer Modulation der Trk-Rezeptoren kam, was zusätzlich zu einer Minderung der überlebensfördernden Signale führte.

5.4. Hyperoxie führt zur gesteigerten Expression von Caspase-1-abhängigen inflammatorischen Zytokinen

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In den letzten Jahren ist durch das Erforschen der genauen Pathomechanismen von diversen Formen der Neurodegeneration die Bedeutung und Einflussnahme der Zytokine immer mehr in den Vordergrund getreten156. Immunologen haben nach und nach ein Zytokinkonzept entwickelt, das die komplizierten Zusammenhänge der einzelnen Faktoren zu erfassen versucht. Es zeigt, wie schnell die Balance zwischen pro- und antiinflammatorischen Zytokinen ins Schwanken gerät und damit zu über das neuronale Überleben alles entscheidenden Vorgängen führen kann.

Erhöhte Zytokinwerte im Nabelschnurblut von Frühgeborenen wurden mit neurologischen Defiziten in Zusammenhang gebracht, die bei Nachuntersuchungen dieser Kinder festgestellt wurden 36

Eine gesteigerte Produktion von inflammatorischen Zytokinen im Gehirn ist Teil von vielen Neuropathologien, so z.B. des demenziellen AIDS-Syndroms, des Schlaganfalls, des Traumas, der Multiplen Sklerose und der Alzheimer-Krankheit157 , 158 , 159 , 160 , 161.

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Eine erhöhte IL-18-Produktion findet sich nach Ischämie/Reperfusion in der Niere52 und im Herzen162. Dass IL-18 auch eine bedeutende Rolle in Mechanismen der Hirnschädigung spielt, wurde in neueren Studien beschrieben. Nach Ischämie konnten deutlich gesteigerte Konzentrationen von Caspase-1 und von den von ihr abhängigen Interleukinen IL-18 und IL-1β nachgewiesen werden63. Darüber hinaus fand sich eine Reduktion der Hirnschädigung in IL-18-defizienten Mäusen, sodass eine bedeutsame Beteiligung dieses Zytokins an einer Entzündungsreaktion der Mikroglia nach Ischämie wahrscheinlich ist163 , 69. Diese Vermutung wird durch neuere Studien bestätigt, die zeigen, dass das IL-18-bindende Protein protektive Wirkungen in einem Modell zur myokardialen Ischämie aufweist162.

In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es auch infolge von Hyperoxie zu einem deutlichen Anstieg dieser Caspase-1-abhängigen inflammatorischen Interleukine kommt. IL-18 und IL-1β wie auch der IL-18-Rezeptor zeigen im retrosplenialen Kortex, Thalamus und Striatum bereits nach 6std einen maximalen mRNA-Konzentrationsanstieg, was nahe legt, dass Sauerstofftoxizität zu einer schnellen Entzündungsantwort führt. In einer Studie von Hedtjärn kam es im Gehirn von 7 Tage alten Ratten erst 14 Tage nach Hirninfarkt zu einem maximalen Anstieg der mRNA von IL-18, während IL-1β sein erstes Maximum 8std und sein zweites 6–14 Tage nach dem Insult zeigte63. Auch andere Studien zeigen deutliche Unterschiede in der Immunantwort zwischen IL-1β und IL-18. Nach traumatischen Hirnschädigungen zeigte IL-1β (wie auch andere proinflammatorische Zytokine, so z.B. TNF und IL-6) eine deutlich schnellere Immunantwort als IL-18 mit einem Anstieg innerhalb der ersten Stunden nach Traumasetzung, während IL-18 einen maximalen Anstieg nach 7 Tagen hatte. Die Zytokine der frühen Immunantwort zeigten allerdings nur lokal in der geschädigten Hemisphäre einen Anstieg, während in der kontralateralen Seite kein Anstieg nachgewiesen werden konnte. Im Gegensatz dazu war der Anstieg von IL-18 diffus auch in der kontralateralen, nicht geschädigten Hirnhemisphäre nachzuweisen164.

In unseren Versuchen zeigten beide Interleukine einen Anstieg bereits nach 2std Hyperoxie und sanken nach 24std auf den Ausgangswert zurück. Dieser Zeitraum stimmt mit den neurodegenerativen Vorgängen überein, die nach 2std Sauerstoffexposition begannen und nach 24std ihren maximalen Anstieg hatten. Möglicherweise führten Kompensationsmechanismen wie ansteigende antiinflammatorische Zytokine zu der Reduktion nach 24std (s.u.).

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Die bedeutende Rolle von IL-1β in hirnschädigenden Prozessen ist inzwischen gut erforscht165 , 166, und die Interaktion mit IL-18 scheint dabei eine große Wichtigkeit zu haben. Beide Zytokine teilen viele Eigenschaften, und es wird angenommen, dass IL-18 die proinflammatorischen Effekte von IL-1β potenziert. IL-18 induziert die Produktion von IL-1β (und des TNF-α)54, und beide Zytokine bewirken über den gleichen intrazellulären Signalweg eine Aktivierung von NF-κB, was zu einer Induktion von proinflammatorischen Genen wie z.B. iNOS führt und so zu Schädigungen des unreifen Gehirns beiträgt55, 63, 64.

Möglicherweise kommt es zu dieser inflammatorischen Reaktion über eine gesteigerte Caspase-1-Aktivität, ausgelöst durch andere Mechanismen, die infolge von O2-Toxizität zu Apoptose führen. Wie oben beschrieben, kommt es durch Hyperoxie zu einem Abfall der Wachstumsfaktoren und zu einer gesteigerten Expression des Todesrezeptors Fas, was zu vermehrter Apoptose und eventuell zu einer gesteigerten Caspase-1-Expression führt. Hyperoxie scheint also in einem Zeitraum von 24std über verschiedene, sich gegenseitig potenzierende Mechanismen zur massiven Neurodegeneration zu führen.

Allerdings wird die Aktivität von Caspase-1 im Rahmen von Studien über Hirnschädigungen kontrovers diskutiert. In einigen Untersuchungen wurde keine gesteigerte Aktivität von Caspase-1 nach Schädigungen des neonatalen oder adulten Gehirns beschrieben167 , 168. Dennoch kam es nach intrazerebroventrikulärer Gabe eines selektiven Caspase-1-Inhibitors (Ac-YVAD-cmk) zur Reduktion der Neurodegeneration in verschieden in vivo Studien über ischämische169 , 170 und traumatische Hirnschädigungen171. Die Wichtigkeit von Caspase-1 als Vermittler in hirnschädigenden Prozessen wurde auch in Versuchen mit Mäusen mit einem Mangel am Caspase-1-Gen gezeigt. Sowohl in neonatalen als auch in adulten Tieren wirkte der Mangel an Caspase-1 protektiv gegen Ischämie172 , 60. In Mäusen ohne Caspase-1 kam es nicht zur Produktion von reifem IL-1β oder IL-1861,und momentan sind IL-1β und IL-18 die einzig bekannten Substrate für Caspase-1. Sowohl Caspase-1 als auch seine beiden Substrate werden von der Mikroglia exprimiert, welche in inflammatorischen und pathologischen Prozessen im Gehirn nach Ischämie eine wichtige Rolle spielt173. Eine interessante Frage könnte daher sein, ob und wie stark die apoptotische Neurodegeneration nach Hyperoxie durch die Inhibition von Caspase-1 und damit auch von IL-1β und IL-18 zu reduzieren wäre.

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Neuere Studien haben sich auch mit dem möglichen protektiven Nutzen des IL-18-bindenden Proteins befasst. Das IL-18-bindende Protein (IL-18BP) ist ein natürlich vorkommender, spezifischer Inhibitor von IL-18174 , 175. IL-18BP ist in der Lage, IL-18 mit einer hohen Affinität und Effektivität zu binden, und inhibiert dessen biologische Aktivität wie z.B. die IL-18-vermittelte frühe Th1-Zytokinantwort 176 177 178Die systemische Gabe von IL-18BP nach Hirntrauma führte bei Mäusen zu einersignifikant besseren neurologischen Entwicklung innerhalb von 7 Tagen. Keinen Einfluss zeigte die IL-18BP-Gabe allerdings auf frühe pathologische Veränderungen wie die Entwicklung eines Hirnödems nach 24std, vermutlich weil zu diesem Zeitpunkt andere proinflammatorische Zytokine eine entscheidendere Rolle spielen. Die Neutralisation von IL-18 durch die Gabe des IL-18-bindenden Proteins zeigte auch einen protektiven Schutz bei durch Endotoxin oder Ischämie induzierten Leberschädigungen179. IL-18-knock-out-Mäuse zeigten ein deutlich reduziertes Infarktvolumen verglichen mit Kontrolltieren63

Aufgrund dieser Vorkenntnisse stellt sich auch im Rahmen der Hyperoxie-induzierten Neurodegeneration die Frage, ob man durch die Gabe von IL-18BP das Ausmaß der Schädigung reduzieren und damit eine bessere neurologische Entwicklung der Frühgeborenen erreichen könnte. Da IL-18BP spezifisch IL-18 inhibiert und köpereigen vorkommt, hat es möglicherweise weniger Nebenwirkungen als andere therapeutische Versuche, die proinflammatorischen Wirkungen der Zytokine zu reduzieren.

5.5. Hochregulierung von IL-10 als möglicher endogener Kompensationsmechanismus

Neben dem Anstieg der inflammatorischen Zytokine zeigte sich auch ein deutlicher Anstieg des antiinflammatorischen Zytokins IL-10. Der zeitliche Verlauf ähnelt dem von IL-1β und IL-18 mit einem maximalen Anstieg der mRNA-Konzentration nach 6std Hyperoxie und einem Abfall auf die Ausgangskonzentration nach 24std. Allerdings zeigt sich bereits nach 2std Sauerstoffexposition ein drastischerer Anstieg der mRNA von IL-10 verglichen mit den proinflammatorischen Zytokinen.

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IL-10 wird im ZNS von Astrozyten und den Zellen der Mikroglia synthetisiert und hat eine bedeutende Funktion für Überleben und Wiederherstellung der Neurone, indem es die Effekte der proinflammatorischen Zytokine blockiert und Signale für das Zellüberleben fördert180 , 181. Die Stimulation des IL-10-Rezeptors führt über mehrere Signalwege, wie über JTK (Janus-Tyrosin-Kinase), MAPK und NF-κB, zur Inhibition sowohl der extrinsischen, getriggert durch Ligandenbindung (z.B. Fas und TNF), als auch der intrinsischen, mitochondrial ausgelösten apoptotischen Kaskade182. IL-10 führt wahrscheinlich über gleiche Mechanismen wie die Wachstumsfaktoren zu neuroprotektiven Effekten. So schützen z.B. BDNF und IL-10 vor dem glutamatvermittelten Zelltod, indem sie den schädigenden Anstieg der freien Ca2+-Konzentration im Zytosol eindämmen77, 82 , 183. Darüber hinaus ist IL-10 in der Lage, das Fortschreiten der Apoptose in immungeschwächten Zellen zu verlangsamen184 und die neurologische Entwicklung nach ZNS-Trauma durch Reduktion der Apoptose zu verbessern72, 73.

Caspase-3 spielt eine wichtige Rolle in der glutamatvermittelten Apoptose185 , 186. Bachis et al. zeigten in ihrer Studie 2001, dass IL-10 einen Anstieg der Caspase-3-Aktivität, vermittelt durch Glutamat, verhindern kann. Darüber hinaus induziert IL-10 innerhalb von Stunden einen rapiden Abfall der Caspase-3-Aktivität, unabhängig von dem mangelnden Ca2+, durch welches die Caspase-3-Aktivität moduliert wird187. Es scheint also so zu sein, dass IL-10 eine intrinsische Möglichkeit hat, die Caspase-3-Aktivität direkt oder indirekt zu hemmen; ein Mechanismus, der die neuroprotektiven Eigenschaften von IL-10 in vivo erklären könnte72, 73 , 188.

Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, kommt es infolge von Hyperoxie zu einem deutlichen Anstieg der aktivierten Caspase-3. Möglicherweise kommt es als kompensatorische Reaktion auf diesen Anstieg zu dieser rapiden Erhöhung der IL-10-Konzentration im sich entwickelnden Rattengehirn. Bisher ist noch nicht bekannt, inwieweit IL-10 andere Caspasen beeinflusst. Möglicherweise ist IL-10 in der Lage, auch weitere Caspasen wie z.B. Caspase-1 zu inhibieren, was zu den abfallenden Konzentrationen von IL-1β und IL-18 beitragen könnte.

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IL-10 ist zusätzlich noch über andere Mechanismen in der Lage, neuroprotektiv zu wirken, die eventuell ebenfalls zu einer Reduktion der Apoptose nach Hyperoxie im unreifen Gehirn beitragen. So spielt die Suppression der NF-kB Bindungsaktivität an DNA184 und die verminderte Synthese proinflammatorischer Zytokine wie IL-1β und TNF-α durch IL-10 sicher ebenfalls eine entscheidende Rolle des antiinflammatorischen Effekts74, 75 , 189 , 190.

Ein kompensatorischer Anstieg der antiinflammatorischen Mechanismen könnte dafür verantwortlich sein, dass es zu einer Wiederherstellung der zellulären Homöostase und einer Limitierung des neuronalen Verlustes kommt. Die Hochregulierung antiinflammatorischer Zytokine repräsentiert möglicherweise endogene Mechanismen, die den durch Hyperoxie ausgelösten apoptotischen Prozess limitieren.


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26.10.2005