Tierexperimentelle Untersuchungen zu antioxidativen Enzymen und Hitzeschockproteinen als endogene Schutzsysteme bei HerzinsuffizienzKarsten Mydlak 1.12607#2312.32.1.624#286452.1.1.62.1.2.2.1.2.1.7558#3512.1.2.2.82.2.2.2.1.912#282.2.1.1.653#63627#6410627#6412#282.2.1.2.1112#29627#52122.2.1.3.605#43813627#69627#76604#78142.2.2.152.2.2.1.16627#56627#55604#63172.2.2.2.18192.2.3.202.2.4.212.2.5.22488#4403.234.244.1.4.1.1.4.1.2.254.2.264.2.1.4.2.2.274.2.3.4.2.4.4.2.5.28294.2.6.304.2.7.314.2.8.3212#28#4.2.8.1.33607#27834607#2904.2.9.354.2.10.4.2.11.36374.2.12.4.2.13.4.2.14.385.395.1.5.1.1.405.1.2.41425.1.3.43445.1.4.5.1.5.455.1.6.465.1.7.47583#27648583#294583#2815.2.495.2.1.5.2.2.50515.2.3.5253608#31154604#312607#31655607#303606#30756606#304607#30357624#307636#3185.2.4.58586#29859607#2996061607#303639#3185.2.5.62607#303607#311635.2.6.604#30264605#30265603#318600#3175.2.7.6667590#86968591#82369592#8466.706.1.716.1.1.6.1.2.726.1.3.73746.1.4.756.1.5.766.1.6.776.2.786.2.1.796.2.1.1.6.2.1.2.806.2.1.3.816.2.1.4.826.2.2.836.2.2.1.84856.2.2.2.86876.2.2.3.88896.2.2.4.6.3.906.4.9192937.94959697LITERATUR9899100101102103104105106107108109 ABKÜRZUNGSVERZEICHNISEIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNGLEBENSLAUFPUBLIKATIONENDANKSAGUNGdeInhaltsverzeichnisHilfe Theoretische Grundlagen
Herzinsuffizienz

Nach Braunwald [5] wird als Herzinsuffizienz „der Zustand des Herzens definiert, bei dem pathologische Veränderungen der Herzfunktion dazu führen, dass die pro Zeiteinheit ausgeworfene Blutmenge zur vollständigen Realisierung der metabolischen Prozesse in peripheren Organen nicht ausreicht oder der periphere Blutbedarf nur bei einem zu hohen Füllungsdruck realisiert werden kann“. Unter Berücksichtigung der Funktion vegetativer und neuronaler Regelkreise bei der Entwicklung der Herzinsuffizienz hat Packer [6] eine erweiterte Definition formuliert, nach der die Herzinsuffizienz als „komplexes klinisches Syndrom, charakterisiert durch Störungen der linksventrikulären Funktion und der vegetativen und neurohumoralen Regulation, begleitet von Leistungsminderung, Flüssigkeitsretention und reduzierter Lebenserwartung“ zu verstehen ist. Der in dargestellte doppelte Circulus vitiosus zeigt schematisch die Bedeutung der vegetativen und neurohumoralen Stimulation im Rahmen der Herzinsuffizienzentstehung. Diese Stimulation führt sowohl über den Weg struktureller als auch funktioneller Veränderungen zur Myokardschädigung.

Abbildung 2: Doppelter Circulus vitiosus der Herzinsuffizienzentwicklung

Die Störung der Herzfunktion kann sich dabei akut (innerhalb von Sekunden bis Tagen) bzw. chronisch (innerhalb von Monaten bis Jahren) herausbilden. Die Herzinsuffizienz wird durch mechanisch induzierte Stoffwechselveränderungen im Herz (Drucküberlastung, Volumenüberlastung, Bewegungsbehinderung, Muskelfaserverlust) oder direkt metabolisch (Koronarsklerose, Myokarditis, Kardiomyopathie) verursacht. Die die Entwicklung einer Herzinsuffizienz einleitenden biochemischen Initialreaktionen, umfassen hypoxisch/ischämische, rheumatisch/entzündliche, pharmakologisch/toxische, endokrine und Hypertrophie-induzierende Elemente.

Als biochemisches Korrelat zur Kontraktilitätseinschränkung des Myokards werden u.a. Aktivitätseinschränkung des ß-Rezeptor-Adenylatcyklase-Systems, verminderte Aktivität der myofibrillären ATPase, Veränderung des Myosinisoenzymmusters und Störung des Ca-Flusses beschrieben [7]. Als Reaktion auf die Dysfunktion des Myokards werden Kompensationsmechanismen aktiviert, die eine Stabilisierung bzw. Steigerung der Herzleistung ermöglichen sollen. Wie von Eichhorn und Bristow [8] zusammenfassend dargestellt wurde, gehören zu diesen Kompensationsmechanismen entsprechend der zeitlichen Abfolge a) Zunahme der Herzfrequenz, b) Zunahme der Kontraktilität, c) Vorlastzunahme und d) Zunahme der Zahl kontraktiler Elemente. Von entscheidender Bedeutung für die Aktivierung dieser Kompensationsmechanismen ist die Aktivitätssteigerung neuronal/autokrin-parakriner Systeme, insbesondere des adrenergen Systems und Renin-Angiotensin-Systems (RAS).

Die als Folge beobachteten strukturellen und funktionellen Umbauprozesse im Myokard werden unter „Myokardremodeling“ zusammengefasst. Myokardremodeling findet sich als physiologischer Vorgang bei Leistungssportlern und dient dort der Anpassung des Herzens an gesteigerte Leistungsanforderung. Myokardremodeling im Verlauf der Herzinsuffizienzentwicklung dient kurzzeitig ebenfalls zur Aufrechterhaltung der kardialen Leistung, verstärkt jedoch im Langzeitverlauf - wie in dargestellt - die myokardiale Dysfunktion. Nach Colucci [9] schließt das pathologische Myokardremodeling a) die Zunahme der Myokardmasse verbunden mit der Hypertrophie der Einzelmyozyten, b) die veränderte Genexpression mit bevorzugter Exprämierung fetaler Gene, c) die Änderungen in Qualität und Quantität der extrazellulären Matrix und d) die Apoptoseinduktion ein.

Am Beispiel der durch einen Myokardinfarkt hervorgerufenen Herzinsuffizienz weisen Blaufarb und Sonnenblick [10] darauf hin, dass das Remodeling zeitlich unterschiedlich auftretende, strukturelle und funktionelle Veränderungen beinhaltet. Zu den frühen Remodelingprozessen zählen sie den in der akuten Infarktphase eintretenden Zellverlust, gefolgt vom bindegewebigen Umbau und Narbenbildung im infarzierten Myokard. Die daraus resultierenden strukturellen Gewebeveränderungen, die in die Übergangsregion zum nichtinfarzierten Myokard hineinreichen, bilden die Grundlage für die Vergrößerung des infarzierten Gebietes. Zur Kompensation des Verlustes an funktionsfähigem Myokard reagiert das nichtinfarzierte Herzgewebe mit Dilatation und Myozytenhypertrophie. Endresultate sind ein vergrößerter Ventrikel, erhöhter linksventrikulärer enddiastolischer Druck, gesteigerte Wandspannung bei gleichzeitig nur mäßigem Vorteil hinsichtlich der Herzleistung. Von größerer Bedeutung auf dem Weg zur Herzinsuffizienz ist jedoch, wie von Blaufarb und Sonnenblick [10] ausgeführt wird, das „späte“ Remodeling im nichtinfarzierten, gut-perfundierten Myokard jenseits der akuten Infarktphase als Folge der hämodynamischen Belastung und permanent gesteigerten Wandspannung. Typische Zeichen des „späten“ Remodelings sind zunehmende Myokardhypertrophie, die über Reduzierung der Wandspannung eine zeitlich begrenzte Anpassung des Herzens an die gesteigerte hämodynamische Belastung ermöglicht. Wird die hämodynamische Überlastung nicht unterbrochen, stößt diese Kompensation durch Hypertrophie an ihre Grenzen. Gleichzeitig zunehmende Fibrosierung, Vergrößerung des Kammervolumens und letztlich hochgradige Dilatation führen dazu, dass das Herz „dekompensiert“, es wird „insuffizient“ mit der Konsequenz des Pumpversagens.

Herzhypertrophie

Hypertrophie bezeichnet die Zunahme der Herzmuskelmasse und kann prinzipiell alle Anteile des Herzens betreffen, ist aber in den Ventrikeln am ausgeprägtesten. Es werden nach morphologischen Kriterien zwei Formen der Hypertrophie unterschieden, die auch als Mischform auftreten können:

  1. die durch eine Volumenbelastung erzeugte exzentrische Hypertrophie,

  2. die auf einer Druckbelastung basierende konzentrische Hypertrophie.

Bei der Ersteren kommt es aufgrund der erforderlichen Erhöhung des Schlagvolumens und des größeren enddiastolischen Restvolumens zur Gefügedilatation, wohingegen das Ventrikelvolumen bei der konzentrischen Hypertrophie nahezu gleich bleibt.

Wie mechanische Belastung genau in Wachstum umgesetzt wird ist noch nicht vollständig geklärt. Kardiomyozyten scheinen äußere Belastung wahrnehmen zu können und in Reaktion darauf zu hypertrophieren. Es existieren eine Reihe von Daten, von Eichhorn und Bristow [8] zusammengefasst, die zeigen, dass sowohl in Tiermodellen als auch beim Menschen die Aktivierung des RAS einen potenten Hypertrophiestimulus darstellt. Dehnung von Kardiomyozyten als Folge erhöhter Wandspannung führt demnach zur autokrin-parakrinen Freisetzung von Angiotensin II (AngII) und Aktivierung der Proteinkinase C. Folge ist die Expression von Wachstum-induzierenden Genen, beispielsweise von c-fos, c-jun, und c-myc. Nakamura et al. [11] zeigten, dass eine Inhibition der durch Ang II und Tumornekrosefaktor α (TNF-α) ausgelösten Hypertrophie von neonatalen Ratten-Kardiomyozyten durch Antioxidantien wie BHA und Vitamin E erreicht werden kann. Daraus kann der Schluss gezogen werden, dass im Mechanismus der Hypertrophieentstehung auch die Bildung von Sauerstoffradikalen eine entscheidende Rolle spielt. Es wurde außerdem gezeigt, dass AngII direkt die Proteinsynthese stimuliert und so Hypertrophie in Zellmodellen und auf Organebene produziert.

Parallel zur kardialen Hypertrophie kommt es auch zu einer Interstitium-Fibrosierung des Herzmuskelgewebes. Die Stimulation der Kollagensynthese durch AngII sowie seine mitogene Wirkung auf Kardiofibroblasten könnten als Ursache angesehen werden. Hypertrophiereduktion unter ß-Blockade lässt vermuten, dass auch adrenerge Mechanismen Hypertrophie-induzierend wirken. Andrerseits können auch ischämische Episoden allein die Expression der oben beschriebenen wachstum-induzierenden Gene auslösen [12]. In Tierversuchen, aber auch in Gewebeproben aus humanem Herz wurden als adaptive Reaktion auf hämodynamische Belastungssituationen immer wieder die Reexpression fetaler Proteingene beobachtet, so beispielsweise für Isoformen von α-Aktin, Tropomyosin, β-Myosin und Creatinkinase [13].

 Das Creatinkinase (CK)-System

Muskelkontraktionen und -relaxationen sind ATP-abhängig. Da die Zelle über nur sehr begrenzte ATP-Reserven verfügt, ist die permanente Regenerierung aus Glykogen und Triglyceriden notwendig. Dieser Metabolismus nimmt aufgrund der Komplexität seiner Reaktionen viel Zeit in Anspruch. Zur kurzfristigen Überbrückung gibt es das Reservoir an energiereichen Phosphorylgruppen in Form des Creatinphosphats (CrP), aus welchem die kontinuierliche Nachbildung von ATP durch die zytosolische Creatinkinase (CK) garantiert wird. Im ruhenden Muskel ist CrP die in größter Konzentration vorhandene energiereiche Verbindung.

Die CK und ihre Isoenzyme

In Abbildung 3 sind zusammenfassend die Wirkorte und -mechanismen der CK dargestellt. In der Erholungsphase wird Creatin durch die mitochondriale CK zu Creatinphosphat rephosphoryliert. Durch Lokalisation der mitochondrialen CK an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran ist ein enger Bezug zur oxidativen Phosphorylierung gegeben, als Garant für die schnelle Energiebereitstellung. Der Transport des gebildeten CrP aus dem Mitochondrium ins Zytosol, dem Ort des Energieverbrauchs (Kontraktion, Ionenkanäle, Synthesen), wird durch das CrP-Shuttle vollzogen. Dort erfolgt dann die Resynthese des ATP aus ADP durch die zytosolische CK. Diese kann sowohl als freie lösliche Fraktion, als auch in Plasmamembran- oder Sarkolemm-assoziierter Form vorliegen.

Abbildung 3: Wirkungsorte und –mechanismen der Creatin-Kinase (CK)

Aus tierischem und humanem Gewebe lassen sich 3 zytoplasmatische CK-Isoenzyme isolieren: die CK-MM, CK-MB und CK-BB, die aus monomeren Untereinheiten: M (= muscle) und B (= brain) bestehen. Aufgrund der Organverteilung der CK-Isoenzyme wird die CK-MM als Muskeltyp, die CK-MB als Myokardtyp und die CK-BB als Hirntyp bezeichnet. Die mitochondrialen Isoenzyme werden uneinheitlich als CK-Mi, CK-MiMi, mCK, CK-MT oder CK-mito abgekürzt.

Vergleicht man die Michaelis-Konstanten (KM) zwischen CK-MB und CK-MM, so lässt sich erkennen, dass der KM-Wert der CK-MB für Creatinphosphat kleiner (3,5 vs. 4,7) und für Creatin doppelt so groß ist (20,6 vs. 10,0). Beim CK-BB-Isoenzym verglichen mit der CK-MM verhält es sich gleichermaßen: KM-Wert für Creatinphosphat 2,2 vs. 4,7. Dies bedeutet, dass die B-Isoformen eher den Abbau von CrP zu Creatin unter Bereitstellung von Energie in Form von ATP fördern, während die CK-MM eher die Energiespeicherung durch Synthese von CrP begünstigt.

 Die CK bei kardialer Hypertrophie

Im geschädigten, vor allem aber hypertrophierten Myokard wird regelmäßig ein Verlust der CK-Gesamtaktivität verzeichnet, mit begleitender Veränderung des Isoenzymmusters [14]. 1976 konnte zum ersten Mal ein Anstieg des CK-MB-Anteils im hypertrophierten Myokard beobachtet werden [15]. Im Gegenzug nahm der prozentuale Anteil der CK-MM an der Gesamt-CK ab. Die Akkumulation der CK-MB-, aber auch der CK-BB-Isoenzyme kann unter dem Aspekt der oben erläuterten KM-Werte als eine Adaptation an chronischen Energiemangel gewertet werden. Bei Hypoxie ist der CrP-Spiegel als Ausdruck einer ungenügenden oxidativen Phosphorylierung erniedrigt. Kompensatorisch steigen die Anteile der fetalen Isoenzyme mit B-Untereinheiten an, da durch diese aufgrund der höheren Affinität zu Creatinphosphat ein erheblich schnellerer Phosphattransfer erreicht werden kann [16]. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die CK-Mi spezifisch abnimmt, wofür ein erniedrigter Creatin-Pool als Ursache angesehen wird. Man geht davon aus, dass der Anstieg der fetalen CK-Isoenzyme charakteristisch für die kompensierenden Herzhypertrophie ist, während sich der Übergang von der Hypertrophie zur Herzinsuffizienz durch die zusätzliche Abnahme der CK-Mi auszeichnet [17].
Sauerstoffradikale in der Pathogenese der Herzinsuffizienz

Weniger bekannt ist, welche Reaktionswege von den unterschiedlichen mechanischen und metabolischen Initialreaktionen zum nahezu uniformen Erscheinungsbild der manifesten Herzinsuffizienz führen. Denkbar ist, dass Sauerstoffradikale, deren gesteigerte Bildung im Verlauf der aufgeführten pathophysiologischen Stoffwechselsituationen bekannt ist, als Mediatoren wirken.

Sauerstoffradikale

Der Begriff"Sauerstoffradikale" wird als Synonym für radikalische und nichtradikalische Moleküle (Tabelle 1) bezeichnet, die bei univalenter Reduktion von Sauerstoff oder in Reaktionen der primär gebildeten Spezies miteinander bzw. mit anderen Biomolekülen entstehen.

Die hervorstechendste Eigenschaft von Sauerstoffradikalen ist ihre Reaktionsfähigkeit. Sie ist eine notwendige Voraussetzung für physiologische Reaktionen (Fremdstoffmetabolisierung, Eikosanoidmetabolismus, Phagozytose, Synthese biogener Amine u.a.), kann aber auch über unspezifische Reaktionen zur Zellschädigung führen.

Spezies

Name

Bemerkung

O•

Superoxidradikal

Bildung bei vielen Autooxidationsreaktionen

OH•

Hydroxylradikal

Bildung metallkatalysiert aus Superoxidradikalen

HO2•

Perhydroxyradikal

protonierte Form des Superoxidradikals

H2O2

Wasserstoffperoxid

aus Superoxidradikalen und direkt aus O2 gebildet

1O2

Singulett-Sauerstoff

wenig biologische Bedeutung

LO•

Alkoxyradikal

Lipidperoxidationsprodukt

LOO•

Peroxyradikal

Lipidperoxidationsprodukt

LOOH

Lipidhydroperoxid

Lipidperoxidationsprodukt

L•

Lipidradikal

Lipidperoxidationsprodukt

-OCl

Hypochlorid

Myeloperoxidase-Reaktionsprodukt
Tabelle 1:Reaktive Sauerstoffspezies (unter Verwendung von [18] )

Charakteristika ausgewählter reaktiver Sauerstoffspezies

Das Superoxidradikal

Superoxidradikale sind verglichen mit anderen freien Radikalen relativ träge Reaktionspartner, worauf sich auch ihre verhältnismäßig geringe Zytotoxizität zurückführen lässt. Größere Bedeutung haben die von ihnen ausgehenden Folgereaktionen, die zur Bildung von Hydroxylradikalen (Haber-Weiss-Reaktion) (Gleichung 1) und Singulett-Sauerstoff (Gleichung 2) führen.

Durch Spontandismutation werden Wasserstoffperoxid und Sauerstoff gebildet (Gleichung 3).

Durch das Enzym Superoxiddismutase (SOD) katalysiert, wird die Geschwindigkeit der Dismutation um den Faktor 109 gesteigert.

Das Hydroxylradikal

Hydroxylradikale werden bei der sogenannten Fenton-Reaktion (Gleichung 4 und 5) gebildet, die im Prinzip nur die übergangsmetallkatalysierte Form der Haber-Weiss-Reaktion darstellt.

Unter den freien Radikalen gilt das Hydroxylradikal als besonders toxisch. Dies begründet sich zum einen durch die außerordentliche Reaktionsfreudigkeit, andererseits gibt es physiologischerweise keine effektiven, spezifischen Schutzmechanismen, wie sie für andere Sauerstoffradikale in Gestalt der Enzyme SOD und Katalase existieren. Entscheidende Folgen des Einwirkens von Hydroxylradikalen sind DNA-Destruktion und Initiation der Lipidperoxidation.

Wasserstoffperoxid

Die Toxizität des Wasserstoffperoxids wird ebenfalls durch Folgereaktionen erklärt. H2O2 als stabiles Zwischenprodukt allein besitzt kaum zellschädigende Wirkung. Erst die Produkte der oben beschriebenen Haber-Weiss- und Fenton-Reaktion führen zur Bildung von Sauerstoffspezies mit größerer toxischer Potenz (Gleichung 4 und 5).

Hypochlorit

Hypochlorit entsteht in Makrophagen als Produkt der Myeloperoxidase. Dieses Enzym wandelt das nach primärer Bildung von O• entstehende Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Halogeniden in Hypohalogenite (-OCl, -OBr, -OJ) um. Diese sind für die antimikrobiellen Fähigkeiten dieser Zellen unentbehrlich.

 Sauerstoffradikale als physiologische und pathophysiologische Stoffwechselprodukte

Reaktive Sauerstoffspezies können entweder direkt bei der schrittweisen Reduktion von Sauerstoff oder als Ergebnis der Reaktionen primär gebildeter Sauerstoffradikale miteinander oder mit anderen Molekülen entstehen. Bei vielen dieser Reaktionen sind Übergangsmetalle als Katalysatoren beteiligt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit der Bildung durch physikalische Einflüsse wie UV-Licht, Ultraschall, Röntgen- oder Gammastrahlung. Sie werden bei unterschiedlichsten Prozessen in verschiedenen Strukturen des Körpers gebildet:

Makrophagen

Nach ihrer Aktivierung erzeugen Makrophagen im Rahmen der sogenannten Respiratory-burst-Reaktion vermehrt Superoxidradikale. Diese wirken bakterizid und sind so im Rahmen des Immunsystems erwünschte und unentbehrliche Metabolite.

Mitochondrien

Superoxidradikale entstehen als unumgängliches Produkt der Atmungskette. Allerdings werden dabei nur ca. 1-4% des Elektronenflusses in O• umgesetzt. Es konnte nachgewiesen werden, dass infolge von Ischämie-/Reperfusionsstress die Sauerstoffradikalproduktion in den Herz-Mitochondrien ansteigt [19].

Peroxisomen

Peroxisomen kommen vor allem in Zellen mit hoher metabolischer Leistung vor, d.h. beispielsweise in Nieren- und Leberepithelien. In diesen Zellorganellen, die der Energiebereitstellung dienen (β-Oxidation, Fructoseabbau), werden durch verschiedene Oxidasen und Peroxidasen erhebliche Mengen an H2O2 gebildet. Die in diesem Kompartiment in hoher Konzentration vorkommende Katalase vermag einen Großteil davon zu eliminieren. Dennoch können bis zu 40% in das Zytoplasma übertreten [20].

Xanthinoxidasekonversion

1982 wurde eine Hypothese vorgelegt, nach der die Hauptquelle der bei Ischämie/Reperfusionsvorgängen auftretenden Sauerstoffradikale in der Umwandlung der - unter physiologischen Bedingungen als Dehydrogenase reagierenden - Xanthinoxidoreduktase zur Oxidase zu suchen sei [21]. Die Xanthinoxidase (XOD) verwendet dabei Sauerstoff als Elektronenakzeptor und katalysiert folgende Reaktionen (Gleichung 8 und 9):


Beim Purinabbau unter Ischämie/Reperfusionsstress fallen so nicht unerhebliche Mengen Superoxidanionen an.

Katecholamine

Erhöhter Sympathikotonus ist mit einer vermehrten Ausschüttung von Katecholaminen verbunden, deren Abbau sowohl über die Monoaminooxidasen als auch über den Weg der Autooxidation freie Radikale entstehen lässt [22].

Eicosanoidbildung

Gesteigerte Synthese von Prostaglandinen und Leukotrienen aus Arachidonsäure, wie es auch während Ischämie der Fall ist, kann ebenfalls durch den stattfindende Elektronentransfer zur Bildung von radikalischen Sauerstoffabkömmlingen führen.

 Sauerstoffradikalinduzierte Schädigungsreaktionen

Unter physiologischen Bedingungen werden Sauerstoffradikale nach ihrer Entstehung eliminiert und eine Schädigung so verhindert. Da Sauerstoffradikale in der Lage sind mit nahezu allen Biomolekülen zu reagieren, kann es bei vermehrter Bildung und/oder verminderter Metabolisierung zu zahlreichen Schädigungsprozessen kommen, die in Abbildung 4 zusammengestellt sind.

Abbildung 4:Wirkung von Sauerstoffradikalen auf unterschiedliche Strukturen und deren Folgen

Lipidperoxidation

Um ihre Funktion und Fluidität aufrechterhalten zu können, brauchen die Membranen ungesättigte Fettsäuren. Diese sind der vornehmliche Angriffspunkt bei der Schädigung der Membranen durch Sauerstoffradikale, was als Lipidperoxidation bezeichnet wird. Diese verläuft, einmal initiiert, als Kettenreaktion, die prinzipiell über zwei Wege zur Schädigung führen kann: zum einen durch direkte Strukturveränderung der Membranen, zum anderen über indirekte Zerstörung von anderen Zellkomponenten durch die entstehenden reaktiven Aldehyde. Dabei reichen die Folgen je nach Ausmaß der Schädigung vom unspezifischen Anstieg der Ionenpermeabilität über die Beeinflussung membrangebundener Proteine bis hin zur vollständigen Destruktion der Membranen.

Urheber der Lipidperoxidation ist bevorzugt das Hydroxylradikal (OH•), aber auch Perhydroxylradikale (HO2•) und Singulett-Sauerstoff (1O2) sind dazu in der Lage. Angriffspunkt für Hydroxylradikale ist dabei das α-Methylen-C-Atom unkonjugierter Doppelbindungen von polyungesättigten Fettsäuren. Dabei kommt es zunächst durch Abstraktion eines Wasserstoffatoms zur Bildung eines Lipidradikals (L•) (Gleichung 10). Dieses wird durch die nachfolgende Dien-Konjugation stabilisiert (Gleichung 11).

Die dabei ablaufende cis-trans-Isomerisierung der PUFA stellt bereits eine Störung des Membrangefüges dar. Im weiteren Verlauf kommt es durch Addition von Sauerstoff zur Entstehung des Peroxydradikals (LOO•) (Gleichung 12). Dieses ist fähig Wasserstoff eines weiteren ungesättigten Fettsäuremoleküls (LH) zu abstrahieren und somit ein neues Lipidradikal (L•) zu generieren (Gleichung 13).

Damit ist der Circulus vitiosus der Propagation (L• → LOO• → LOOH + L•) eingeleitet. Lipidperoxide (LOOH) zerfallen entweder spontan oder übergangsmetallkatalysiert (Fe2+/Fe3+) unter Bildung von Alkoxy- (LO∙) und Peroxyradikalen (LOO∙).

Durch diese Mechanismen ist es möglich, dass sich die Propagation selbst unterhält, bis stabile Endprodukte gebildet werden, die ein weiteres Voranschreiten der Kettenreaktion nicht mehr möglich machen (Termination). Bei ausreichendem antioxidativen Potential erfolgt ein frühzeitiger Abbruch der Kettenreaktion. Ist dies nicht der Fall, werden im Verlauf von komplizierten Fragmentierungsreaktionen schließlich Aldehyde gebildet (Malondialdehyd [MDA], 4-Hydroxynonenal), die ihrerseits auf verschiedene Weise andere Zellkomponenten, vor allem Proteinbestandteile schädigen können.

Proteine

Zur Proteinenmodifikation können neben den Produkte der Lipidperoxidation auch Sauerstoffradikale direkt und dabei hauptsächlich das Hydroxylradikal (OH•) führen. Es kommt dabei zur Oxidation von Aminosäuren der Seitenketten, aber auch des Grundgerüsts, mit nachfolgender Protein-Fragmentierung und der Entstehung von intra- und intermolekularen cross-link-Verbindungen [23]. Dabei reagieren die reaktiven Sauerstoffspezies bevorzugt mit NH- und SH-Gruppen. Im Falle von Enzymen resultiert daraus häufig eine Aktivitätserniedrigung. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass Enzyme, deren Aktivität an SH-Gruppen gebunden ist, wie unter anderem die Glycerinaldehyd-3-Phosphatdehydrogenase und die NADP-abhängige Isocitratdehydrogenase, durch Sauerstoffradikale inaktiviert werden können [24].

DNA

Neben Strangbrüchen betreffen Schädigungen der DNA besonders häufig die Basen. Dort führen Sauerstoffradikale und deren Reaktionsprodukte zur Entstehung von Thymindimeren und 8-Hydroxydeoxyguanosinresten. Nachfolgende Basenfehlpaarungen führen, wenn nicht durch DNA-Reparaturenzyme behoben, zur Störung der Proteinbiosynthese. Durch das Auftreten derartiger Strukturveränderungen in der genetischen Substanz lässt sich die mutagene Wirkung von Sauerstoffradikalen erklären.

Kohlenhydrate

Es ist bekannt, dass Hyaluronsäure und Proteoglykane oxidativ geschädigt werden können und dabei depolymerisiert werden. Folge ist die Abnahme der Viskosität und damit ein verminderter Schmiereffekt der Synovialflüssigkeit. Die in der Synovialflüssigkeit vorkommende SOD schützt diese Verbindungen vor derartigen Schädigungen.

 Das antioxidative System

Um den Abbau reaktiver Sauerstoffspezies zu ermöglichen, benutzt der Organismus eine Anzahl sich ergänzender Mechanismen: das antioxidative System. Dazu gehören sowohl enzymatische als auch nichtenzymatische Antioxidantien, die prinzipiell auf drei Ebenen auf Sauerstoffradikale wirken können:

  1. Verhinderung der Bildung,

  2. Verhinderung der Wirkung auf Biomoleküle,

  3. Beseitigung und Reparatur der durch sie verursachten Schäden.

Eine Auswahl wichtiger Antioxidantien ist in Tabelle 2 zusammengefasst

System

Verbindung

Bemerkung

Enzymatisch

Glutathionperoxidase (GSH-Px)

Abbau von Peroxiden (mehrere Isoformen)

Katalase

Abbau von H2O2

Superoxiddismutase (SOD)

Abbau von O2 -• (mehrere Isoformen)

Nichtenzymatisch

α-Tocopherol (Vitamin E)

unterbricht radikalische Kettenreaktionen

β-Carotin

unterbricht radikalische Kettenreaktionen

Ascorbinsäure (Vitamin C)

verschiedene antioxidative Funktionen

Glutathion

verschiedene antioxidative Funktionen

Harnsäure

Radikalfänger

Enzymatische

Glutathion-S-Transferase

Konjugationsenzyme

Hilfsmechanismen

Glucuronyltransferasen

Glutathionreduktase (GSSG-R)

Glutathionregenerierung

Reparatursysteme

DNA-Reparatur

Abbau oxidierter Proteine und Lipide
Tabelle 2:Antioxidantien (modifiziert nach [25])

Das enzymatische System

Tierische Zellen verfügen über antioxidative Enzyme, die entsprechend ihrer physiologischen Substrate in den verschiedenen Zellkompartimenten vorkommen.

(1) Glutathionperoxidase (GSH-Px)

Die GSH-Px ist ein Selenoenzym, dass in den verschiedenen Organen in unterschiedlichen Konzentrationen zu finden ist, wo es in der Regel zu 30% in den Mitochondrien und zu 70% im Zytosol lokalisiert vorliegt [26]. Bei der zytosolischen GSH-Px unterscheidet man zwischen der Wasserstoffperoxid metabolisierenden GSH-Px und der Lipidhydroperoxide verstoffwechselnden GSH-Px, die membranassoziiert vorliegt. Die Aufgabe der GSH-Px besteht im Abbau von Hydroperoxiden zu den entsprechenden Alkoholen. Zu diesem Zweck wird Glutathion (GSH) als Reduktionsmittel verwandt (Gleichung 14). Da Selen für den Erhalt der Enzymaktivität der GSH-Px unabdingbar ist, wird es im weiteren Sinne ebenfalls zu den Antioxidantien gezählt.

Unter physiologischen Bedingungen liegen das dabei gebildete Glutathiondisulfid (GSSG) und seine reduzierte Form GSH im Verhältnis 1:500 vor. Das gewährleistet das Enzym Glutathionreduktase (GSSG-R) durch die schnelle Regenerierung des Glutathions unter Verbrauch von Nikotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH/H+) aus dem Pentosephosphatweg [27] (Gleichung 15).

Dementsprechend wirkt sich eine Störung im NADP-Haushalt auch auf die Aktivität der GSH-Px aus.

(2) Superoxiddismutase (SOD)

Die enzymatische Funktion der SOD wurde erstmalig 1969 von Fridovich und McCord beschrieben [28]. Diese besteht in der Dismutation des Superoxidradikals zu Wasserstoffperoxid und Sauerstoff (Gleichung 16).

Die SOD ist für die Entgiftung der in der Regel primär entstehenden Superoxidradikale zuständig und dementsprechend insbesondere an den Orten ihrer Bildung lokalisiert. Sie existiert in drei verschiedenen Isoformen, die sich im Metallion des katalytischen Zentrums unterscheiden:

(1) die zytosolische CuZn-SOD

(2) die in den Mitochondrien lokalisierte Mn-SOD

(3) das Eisen-SOD-Isoenzym (Fe-SOD)

(3) Katalase

Das Hämenzym Katalase ist in erster Linie für die Entgiftung von H2O2 zu Wasser verantwortlich (siehe auch Abbildung 5). In den Peroxisomen lässt sich die höchste Katalaseaktivität nachweisen.

(4) Kooperation im enzymatischen System

Ein optimaler antioxidativer Schutz erfordert die enge Kooperation der enzymatischen Mechanismen. Abbildung 5 zeigt eine vereinfachte Zusammenstellung der sich ergänzenden antioxidativen Enzyme.

Abbildung 5:Abbauwege der reaktiven Sauerstoffspezies durch die antioxidativen Enzyme der Zelle

Am Beispiel der SOD kann die notwendige Kooperation verdeutlicht werden. Bekannt ist, dass die CuZn-SOD durch das eigene Reaktionsprodukt H2O2 oxidativ modifiziert und nachfolgend inhibiert wird. Ursache ist die leichte Oxidierbarkeit eines Histidins im aktiven Zentrum [29]. Die SOD-Aktivität kann damit nur aufrechterhalten werden, wenn das anfallende H2O2 durch Katalase und GSH-Px kontinuierlich metabolisiert wird.

 Das nichtenzymatische System

(1) α -Tocopherol (Vitamin E)

In der Familie der E-Vitamine, einer Gruppe von Chromanderivaten, stellt das lipidlösliche α-Tocopherol den größten Anteil dar. In Membranen und Lipoproteinen wirkt es als „Kettenreaktionsbrecher“ und schützt auf diese Weise polyungesättigte Fettsäuren vor der Peroxidation. Dabei wirkt es synergistisch mit Ascorbinsäure. Durch die isoprenoide Seitenkette, die die Lipophilie vermittelt, wird der Einbau in Membranen ermöglicht. Dort können sie direkt am Ort der Lipidperoxidation ihre hohe Effektivität bei deren Hemmung entfalten. Bei der Reaktion mit Peroxyradikalen von Fettsäuren (LOO•) wird eine am Chromanring gebundene Hydroxylgruppe oxidiert, wobei das Tocopherolradikal entsteht.

(2) Ascorbinsäure (Vitamin C)

Das hydrophile γ-Lacton Ascorbinsäure (Asc) wird von höheren Pflanzen und den meisten Tieren aus Glucose synthetisiert. Der Mensch und Primaten, sowie das Meerschweinchen sind zur Vitamin C-Synthese nicht fähig. Dadurch sind diese Spezies gezwungen die benötigte Menge mit der Nahrung aufzunehmen. Im Sauerstoffradikalstoffwechsel ist Vitamin C durch die Reduktion von Superoxidradikalen und Hydroxylradikalen von Bedeutung. Des Weiteren kann Ascorbinsäure Vitamin E regenerieren. Dieses Zusammenwirken wird in Abbildung 6 dargestellt. Den in hohen Dosen antioxidativen Eigenschaften des Vitamin C stehen die in niedrigen Konzentrationen prooxidativen Wirkungen entgegen. Diese fördern bei entsprechenden Bedingungen die Bildung von Sauerstoffradikalen und die Propagation der Lipidperoxidation.

(3) Glutathion (GSH)

Die Wirkung des hydrophilen Glutathion als Antioxidans basiert auf unterschiedlichen Mechanismen. Zum einen besteht die Möglichkeit der direkten Reaktion mit reaktiven Sauerstoffspezies, daneben dient es der GSH-Px als Co-Substrat und ist außerdem in der Lage oxidiertes α-Tocopherol zu regenerieren. In allen Fällen wird es dabei selbst zum Disulfid oxidiert. Ferner besteht die Möglichkeit der Anlagerung von GSH an proteingebundene SH-Gruppen unter Bildung eines gemischten Disulfids [30], wodurch die für die Enzymaktivität essentiellen Thiol-Gruppen wirkungsvoll vor Oxidation geschützt werden.

(4) Kooperation im nichtenzymatischen System

Wie im enzymatischen System sind kooperative Wirkungen entscheidend für einen optimalen antioxidativen Schutz. Die Kooperation der wichtigen Vertreter des nichtenzymatischen System Vitamin E, C und Glutathion ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6:Antioxidativer Synergismus von α -Tocopherol, Ascorbinsäure (Asc) und Glutathion (GSH)

Das lipophile α-Tocopherol reagiert mit Peroxyradikalen von Fettsäuren (LOO•). Das entstehende Tocopherolradikal (α-Tocopherol—O•) wird von der hydrophilen Ascorbinsäure (Asc) oder Glutathion (GSH) reduziert, die dabei zum Ascorbinsäureradikal (Asc•) bzw. zu Glutathiondisulfid (GSSG) oxidiert werden.

 Hitzeschockproteine (Hsp)

Viele Zellen besitzen durch konstitutive Stressproteine eine gewisse natürliche Toleranz gegenüber verschiedenartigen Noxen. Durch verstärkte Synthese dieser Hitzeschockproteine als Folge von Stresseinwirkung (unphysiologische Temperaturen, Sauerstoffmangel, chemische Agenzien oder parasitäre Infektionen) kann die Toleranzschwelle noch erhöht werden [31]. Die Hsp sind entsprechend ihren Molmassen klassifiziert worden in:

  1. die Hsp90-Familie (Hsp100, Hsp90, Hsp86)

  2. die Hsp70-Familie (Grp73, Hsp72, Hsp70, Hsp 68)

  3. die Hsp60-Familie (Hsp60, TCP-1)

  4. das Hsp40

  5. die Familie der kleinen Stressproteine (Hsp25/28, αB-Crystallin)

  6. das Hsp10 und

  7. das Hsp8 (Ubiquitin).

In der Hsp70-Familie unterscheidet man zwischen dem konstitutiv vorhandenen Hsp70 und dem induzierbaren Hsp72, auch als Hsp70i bezeichnet. In der Familie der kleinen Stressproteine entspricht dem Hsp27 des Menschen das Hsp25 bei Ratte und Maus.

In der Zelle dienen die Stressproteine der Beseitigung molekularer Schäden und der Wiederherstellung der normalen Zellfunktion. Dabei bewirken einige (Hsp70, Hsp60/10-Komplex, Hsp25/28) als Chaprone die gerichtete Rückfaltung partiell denaturierter Proteine, ohne Teil des Produktes zu werden. Es ist nachgewiesen worden, dass die Hsp-Synthese durch Sauerstoffradikale direkt, aber auch durch Produkte radikalischer Reaktionen induziert wird [32]. Die die Induktion auslösenden Hitzeschock-Transkriptionsfaktoren (HSF) liegen bereits in inaktiver Form vor und binden unter Stress-Konditionen an eine spezifische DNA-Sequenz. Dadurch ist keine Proteinsynthese nötig um die Transkription der Hsp einzuleiten und verläuft dementsprechend schnell [33].

 Sauerstoffradikale, Antioxidatives System, Stressproteine und Herzinsuffizienz

Es wurde gezeigt, dass Sauerstoffradikale in verschiedenen Modellen (Kaninchenseptum, isoliertes Rattenherz, Papillarmuskel) Reaktionen induzieren, die zur Einschränkung der Myokardkontraktion führen. Besonders sensitiv gegenüber oxidativem Stress sind die Membranstrukturen der Herzmuskelzelle. Beobachtet wurden oxidative Modulationen membranständiger Enzyme, veränderte Membranstrukturen oder sogar vollständige Membrandestruktion [24]. Nach Goldhaber und Weiss [34] beeinflussen Sauerstoffradikal-induzierte Reaktionen vor allem die Regulation der intrazellulären Ca2+-Konzentration durch Störung der Ca2+-Aufnahme ins Sarkoplasmatische Retikulum (SR) als Folge der Hemmung der Phospholamban-abhängigen sarkolemmalen Ca2+/Mg-ATPase und/oder verstärkten passiven Ca2+-Einstrom. Sauerstoffradikale beeinflussen auch den Ca2+/Na-Austausch, vermindern die Aktivität von Na/K-ATPase, sarkolemmaler Ca2+-ATPase und myofibrillärer ATPase und führen zur Hemmung von oxidativer Phosphorylierung und Glykolyse. Thioloxidation und Lipidperoxidation führen nach vorübergehender Sensitivitätszunahme zum Funktionsverlust des sarkolemmalen ß-Rezeptor-Adenylatcyclase-Systems [35]. Zur Einschränkung der Myokardfunktion können Sauerstoffradikale auch über die Freisetzung lysosomaler Enzyme und Inhibition von Transkriptions-/Translationsprozessen beitragen [36,37]. Dass Sauerstoffradikale auch direkt bei der durch RAS-Aktivierung induzierten Hypertrophie eine entscheidende Rolle spielen, wurde bereits im Kapitel 2.1.1 dargestellt. Tierexperimentell wurde gezeigt, dass bei Katecholamin-, und Diabetes-induzierter Kardiomyopathie, bei der Kardiomyopathie ausgelöst durch das Zytostatikum Adriamycin [38] und bei der genetisch bedingten Kardiomyopathie des Syrischen Hamsters [39] Sauerstoffradikal-induzierte Schädigungsreaktionen (z.B. Lipidperoxidation) ablaufen.

Gupta und Singal [40] konnten in Tierversuchen an Ratten unter chronischer Druckbelastung durch „aortic banding“ zeigen, dass stabile Hypertrophie ohne wesentliche Anzeichen der Herzinsuffizienz mit einem Anstieg der antioxidativen Kapazität im Herzgewebe einhergeht. Ferner zeigten sie, dass dadurch hypertrophierte Herzen aufgrund des gesteigerten Antioxidantien-Gehalt weniger empfindlich gegenüber exogenem oxidativen Stress (z.B. Xanthin/Xanthinoxidase) sind. Auch hinsichtlich des Hypoxie-/Reoxygenierungsstress sind hypertrophierte Herzen mit gesteigertem antioxidativen Potential weniger sensibel [41,42].

Sowohl für die konstitutiv exprimierte Form des Hsp70 (Hsp70c) als auch für seine induzierbare Form (Hsp70i) ist die kardioprotektive Wirkung (Zunahme der Ischämie-Toleranz) nachgewiesen worden [43]. Das Hsp72 wird nur während der Phasen der akuten Adaptation induziert und ist zum Zeitpunkt der stabilen kardialen Funktion in vielen Fällen nicht nachweisbar. So tritt eine Erhöhung der Hsp72-Konzentration im Myokard beim Übergang zur Hypertrophie auf und fällt nach erfolgter Anpassung wieder ab [44]. Es hat bei höherer Konzentration einen nachgewiesenen protektiven Effekt gegenüber Myokardinfarzierung [45]. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass das Hsp72 nicht direkt in Myozyten oder kardialen Neuronen lokalisiert ist, sondern zelltypspezifisch in den kleinen Blutgefäßen zwischen den Kardiomyozyten exprimiert wird [46]. Kardioprotektion kann auch von der Familie der kleinen Stressproteine erwartet werden, die in relativ großen Mengen in den I-Banden der Myozyten lokalisiert sind [47]. Vermutet wird, dass letztere Gruppe durch Verhinderung der Aggregation des Aktinfilaments irreversiblen Schäden am kontraktilen Apparat vorbeugt [48]. Bei erhöhter Produktion von Stressproteinen können diese auch als Autoantigene wirken, die die Zellen zu Zielen des Immunsystems machen [49], wodurch die Zellschädigung zunimmt.

 Funktionelle Parameter zur Charakterisierung der Herzleistung

Aus der stimulierten isometrischen Kontraktion des Papillarmuskels im Gewebe-Bad lässt sich ein Mechanogramm aufzeichnen, welches, wie Abbildung 7 zeigt, die Kraftentwicklung im Verlauf der Zeit darstellt. Aus dieser Darstellung des Kraftsignals lässt sich die peak force (PF) und aus der 1. Ableitung die dF/dtmax, die maximale Kraftanstiegsgeschwindigkeit, und die dF/dtmin, die maximale Erschlaffungsgeschwindigkeit ableiten, welche die Kontraktions- und Relaxationsfähigkeit des Myokards charakterisieren. Weitere errechnete Parameter sind die maximale Kraftanstiegsgeschwindigkeit bezogen auf PF: (dF/dtmax)/PF und die maximale Kraftabfallsgeschwindigkeit auf die peak force normiert: (dF/dtmin)/PF.

Abbildung 7:Das Kraftsignal und dessen 1.Ableitung zur Charakterisierung der myokardialen Kontraktions- und Relaxationsfähigkeit