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1  Einleitung

Glucocorticoide sind seit ihrer erstmaligen klinischen Anwendung 1948 durch Philip S. Hench zu einem unverzichtbaren Bestandteil der medikamentösen Therapie in der modernen Medizin geworden (Hench et al. 1949). Cortison als physiologisches Steroidhormon der Nebennierenrinde (Zona fasciculata und reticularis) wurde 1936 von E.C. Kendall, O. Wintersteiner und T. Reichstein unabhängig voneinander entdeckt und konnte ab 1948 vollständig synthetisiert werden (Kaiser et al. 1988).

Physiologisch vermitteln Glucocorticoide wichtige Wirkungen im Glucose-, Lipid- und Proteinstoffwechsel. Sie spielen eine bedeutende Rolle bei Prozessen der Zelldifferenzierung, der Regulation von Wachstum und Apoptose (Planey et al. 2000, King et al. 1998) und stellen über einen negativen Rückkopplungsmechanismus einen wichtigen neuroendokrinen Regulationsfaktor für Immunfunktion und Stress dar (Webster et al. 2002, Sapolsky 2000).

Therapeutisch haben Eigenschaften wie ausgeprägte antiinflammatorische, immunsuppressive, antiödematöse, zytostatische und antiallergische Wirkungen zu ihrem Einsatz in fast allen medizinischen Fachgebieten geführt (Morand 2000, Hatz 1998, Kaiser et al. 1997). Sie dienen sowohl als Notfallmedikamente bei lebensbedrohlichen Zuständen wie beispielsweise beim Status asthmaticus als auch als Langzeittherapeutika wie bei der Rheumatoiden Arthritis.

Glucocorticoide werden in unterschiedlichen Dosierungen in Abhängigkeit von der Indikation eingesetzt (Buttgereit et al. 2002). Gute klinische Effekte erreichen systemischapplizierte Glucocorticoide als low–dose-Therapiebei chronisch-entzündlichen Erkrankungen, die einer Langzeittherapie bedürfen. Glucocorticoide werden dabei in sehr niedrigen Dosen (≤ 5 mg Prednisolonäquivalent(PÄ)/Tag) als gerade noch wirksame Erhaltungsdosis u.a. zur Behandlung der Rheumatoiden Arthritis und des Asthma bronchiale angewandt (Kirwan 2001, Umland et al. 2002). Niedrige Dosen (≤ 7,5 mg PÄ/Tag) werden zur Erhaltungstherapie bei rheumatischen Erkrankungen verwendet, ohne dabei unvertretbar viel unerwünschte Nebenwirkungen hervorzurufen (da Silva et al. 2000, Klippel 1998). Mittlere Dosen (> 7,5 mg bis ≤ 30 mg PÄ/Tag) dienen z. B. der Therapie der Rheumatoiden Arthritis, der Polymyalgia rheumatica, des Asthma bronchiale oder des subakuten Hirnödems (Li et al. 2000, Meinig et al. 1990, Kaiser 1991). Bei subakuten und akuten Krankheiten und speziell bei lebensbedrohlichen Verläufen werden Glucocorticoide über einen kurzen Zeitraum (3-5 Tage) in hohen (> 30 mg bis ≤ 100 mg PÄ/Tag) und sehr hohen Dosen (> 100 mg PÄ/Tag), speziell als hochdosierte intravenöse Stoßtherapie (≥ 250 mg PÄ/Tag), gegeben. Hauptindikationen hierfür sind[Seite 10↓] Abstoßungsreaktionen nach Organtransplantationen (Volpin et al. 2002), akute Schübe der Multiplen Sklerose (Brusaferri et al. 2000), der Rheumatoiden Arthritis, von Kollagenosen und generalisierten Vaskulitiden (Langford 2001, Navarette et al. 2000, Youssef et al. 1997), schwere akute Asthmaanfälle bzw. Schädel-Hirn-/Rückenmarkstraumata (Hall 2001, Bracken et al. 1992).

Trotz der intensivierten Forschung zur Aufklärung der Wirkmechanismen der Glucocorticoide in den letzten Jahren werden die Risiken einer Glucocorticoidtherapie noch nicht genügend beherrscht. Unerwünschte systemische Wirkungen wie die Symptomatik des Hyperkortizismus (Ferrari 2003) oder die glucocorticoid-induzierte Osteoporose (Patschan et al. 2001) stehen ihrem weitverbreiteten Einsatz gegenüber. Viele Einzelwirkungen konnten erforscht werden, ohne dass sich ein endgültiges Gesamtkonzept der Wirkungsmechanismen der Glucocorticoide etablieren ließ (Buttgereit et al. 1996, Goulding et al. 1993). Auch heute noch lässt sich dieses Gesamtkonzept nur als Hypothese formulieren (Buttgereit et al. 1998).

1.1 Modulare Wirkungsmechanismen von Glucocorticoiden

Buttgereit et al. fassten die Erkenntnisse über den modularen Wirkungsmechanismus von Glucocorticoiden als Hypothese zusammen (Buttgereit et al. 1998). Es wird davon ausgegangen, dass Glucocorticoide ihre therapeutischen Effekte über drei qualitativ unterschiedliche Mechanismen vermitteln (Buttgereit et al 1998, Wehling et al. 1997):

Genomische, über einen ubiquitären, zytosolischen Rezeptor vermittelte Wirkungen treten bereits bei sehr niedrigen Dosen auf (<10-12 M). Bei Dosissteigerung nehmen die genomischen Wirkungen durch verstärkte Rezeptorauslastung quantitativ zu, allerdings nur bis zu einem Maximum, dass bei einer Dosis von etwa 200-300 mg PÄ pro Tag liegt. Nach Applikation dieser Dosis ist der Sättigungsbereich zytosolischer Rezeptoren für Glucocorticoide erreicht (Tyrrell 1995). Der zusätzliche therapeutische Nutzen bei weiterer Dosissteigerung in entsprechenden[Seite 11↓] klinischen Situationen kann daher nur über zusätzlich zur Verfügung stehende, nichtgenomische Mechanismen erzeugt werden.

Man geht zum einen davon aus, dass Glucocorticoide bei Dosen >10-9 M über einen membranständigen Glucocorticoidrezeptor spezifisch nichtgenomische Effekte vermitteln. Bei sehr hohen Dosen (> 10-5 M) kommt es zusätzlich über eine Interkalierung der Glucocorticoide in die Zellmembran zu unspezifischnichtgenomischen Effekten. Abbildung 1 gibt einen zusammenfassenden Überblick über die drei modularen Mechanismen der Glucocorticoidwirkungen.

Abb. 1: Modulares Konzept der zellulären Glucocorticoidwirkungen nach Buttgereit et al. 1998. Genomischer (I), spezifisch nichtgenomischer (II) und unspezifisch nichtgenomischer (III) Wirkmechanismus; HSP: heat-shock-protein; IP3: Inositoltriphosphat; PKC: Proteinkinase C; NF-κB: nuclear factor κB; IL: Interleukin; TNF: Tumornekrosefaktor; COX: Cyclooxygenase

[Seite 12↓]Genomische Wirkungen (Modul I)

Munck et al. entdeckten 1968 erstmals zytoplasmatische Glucocorticoidrezeptoren (cGR) in Rattenthymozyten (Munck et al. 1968). 1985 konnten Hollenberg et al. die Glucocorticoidrezeptor-cDNA klonieren (Hollenberg et al. 1985). Seit 1991 ist die Struktur des zytosolischen Glucocorticoidrezeptors α (cGRα) bekannt (Encio et al. 1991).
Abb. 2: Intrazellulärer Glucocorticoidrezeptor α. (Berki et al. 1998, deRijk et al. 2002)

Bisher wurde nur ein Glucocorticoidrezeptorgen nachgewiesen (Chromosom 5q11-q13; Hollenberg et al. 1985). Es sind aber mehrere Proteinisoformen bekannt (Yudt et al. 2002). Zwei Isoformen werden mit α und ß bezeichnet. Der cGRα (777 Aminosäuren) stellt die biologisch aktive Form dar. Er weist im Wesentlichen drei Regionen auf: An das carboxyterminale Ende bindet das Glucocorticoid (Ligandbindungsdomäne), die mittlere Region dient als Bindungsstelle für die DNA im Zellkern, das aminoterminale Ende ist speziesabhängig verschieden, hat eine stark antigene Potenz und nimmt eventuell Einfluss auf andere hormonsensitive Transkriptionsfaktoren im Zytoplasma. Der cGRß (742 Aminosäuren) kann keine Glucocorticoide binden und nicht die Transkription beeinflussen. Trotzdem wird er in allen glucocorticoid-sensitiven Geweben gefunden. Eine eigenständige Funktion ist bis jetzt nicht bekannt (Yudt et al. 2001). Er stellt wahrscheinlich eine dominant negative Antagonisierungsform von cGRα dar (Oakley et al. 1999, Bamberger et al. 1995).

Die über den cGR vermittelte genomische Beeinflussung der Transkription tritt nach einer zeitlichen Latenz von frühstens 30 Minuten nach Rezeptorbindung auf und erreicht ihr Maximum nach 6 bis 8 Stunden, wobei der Wirkungseintritt vom Zellzyklus abhängt. Zu den am frühsten beobachteten cGR vermittelten transkriptionsabhängigen Wirkungen zählt die von Groner et al. beschriebene, 7,5 Minuten nach Glucocorticoid-Applikation aufgetretene Transkriptionsinitiation im Mausmodell (L tk-aprt-Zellen, Groner et al. 1983).Der Nachweis der [Seite 13↓]Spezifität genomischer Effekte erfolgt über die Antagonisierung mit RU486, einem Steroidrezeptorblocker mit hoher Spezifität für den GR (Bamberger et al. 1995).

Der Mechanismus der cGR vermittelten transkriptionsabhängigen Effekte ist auf molekularer Ebene weitgehend aufgeklärt. Die Modulation glucocorticoid-sensitiver Gene wird über den cGRα realisiert, der über eine Komplexbindung mit Chaperon-Molekülen (zwei Hitzeschockproteine Hsp70 und Hsp90 und ein Immunophilin Ip56) verbunden ist. Er wird zu den nukleären Transkriptionsfaktoren gezählt. Jede Zelle enthält ca. 3000-100000 dieser Rezeptoren. Als lipophile Substanzen sind Glucocorticoide in der Lage, Biomembranen durch Diffusion zu passieren. Ihre Bindung an den zytosolischen Rezeptor führt zur Dissoziation der Chaperon-Moleküle, wodurch die DNA–Bindungsstelle frei wird. Der Steroid-Rezeptor-Komplex dimerisiert und kann in dieser aktivierten Form nach seiner Translokation in den Zellkern direkt an sogenannte „glucocorticoid responsive elements“ (GRE) - spezifische kurze DNA-Sequenzen des Zielgens – binden und damit in der Promoterregion die Transkription des entsprechenden Gens aktivieren oder inhibieren (Schulz et al. 2000). Die übereinstimmende DNA-Bindungssequenz der GRE ist eine 15 bp-Sequenz bestehend aus GGTACA(nnn)TGTTCT. Man geht von 10-100 Genen pro Zelle aus (< 1 %), die auf diese Weise direkt reguliert werden (Barnes 1998). Über diesen Mechanismus erfolgt z. B. die Induktion der Synthese endogener antiinflammatorischer Proteine wie IL-10 oder Lipocortin 1. Über Lipocortin 1 kommt es zu einem Eingriff in die Arachidonsäurekaskade im Sinne einer Suppression der Synthese von Leukotrienen und Prostaglandinen durch Hemmung der zytosolischen Phospholipase A2.

Andererseits interferiert der Steroid-Rezeptor-Komplex mit weiteren Transkriptionsfaktoren wie NF-κB, AP-1, STAT und NFAT, und hemmt dadurch indirekt die Transkription von Genen (Vanden Berghe et al. 1999). Dieser Mechanismus hat besondere Bedeutung für die Expressionshemmung proinflammatorischer Zytokine (IL-1, IL-2, IL-6, TNFα, IFNγ). Der Steroid-Rezeptor-Komplex blockiert dabei zum einen die Bindung von NF-κB an DNA–Bindungsstellen, induziert aber auch die Synthese des inhibitorischen Transkriptionsfaktors IκBα, der die Translokation von NF-κB in den Zellkern hemmt (Auphan et al. 1995).

Darüber hinaus geht man davon aus, dass Glucocorticoide nicht nur die genomvermittelte Transkription hemmen, sondern auch posttranskriptionell RNA-Translation und Proteinexpression beeinflussen. Es wird eine Modifikation der mRNA und der posttranslationalen Prozessierung von Zytokinen angenommen (Adcock et al. 2001, 1995, Adcock 2000).


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Für die Beschreibung cGR-vermittelter transkriptionsabhängiger Effekte gilt:

Nichtgenomische Wirkungen

In den letzten Jahren wurden schnell eintretende Glucocorticoidwirkungen („rapid effects“) beobachtet, die mit den Kriterien für genomische Wirkmechanismen nicht vereinbar waren. Die als nichtgenomisch bezeichneten Wirkungen sind Gegenstand der gegenwärtigen Steroidforschung (Lösel et al. 2003, Buttgereit et al. 2002, Borski et al. 2002, Cato et al. 2002, Schmid et al. 2000, Falkenstein et al. 2000). Es gelten folgende Kriterien:

Spezifisch nichtgenomische Wirkungen (Modul II)

Nichtgenomische Effekte, die bereits bei niedrigen Glucocorticoidkonzentrationen eintreten, werden wahrscheinlich spezifisch über einen membranständigen Glucocorticoidrezeptor(mGR) vermittelt und beeinflussen im Weiteren schnelle second messenger-Systeme über IP3, cAMP, PKC und Ca2+ (Buttgereit et al. 1998).

Humane membranständige Steroidrezeptoren konnten für Östrogen, Testosteron, Progesteron und Vitamin D nachgewiesen und funktionell charakterisiert werden (Levin 2002, Wunderlich et al. 2002, Luconi et al. 2002, Norman et al. 2002). Membranständige Glucocorticoidrezeptoren[Seite 15↓] wurden zwar wiederholt an tierischen Zellen beschrieben (Gametchu et al. 1984, Gametchu 1987, Orchinik et al. 1991, 1992, Evans et al. 1998, Chen et al. 1999, Borski 2000).Sie konnten aber vorerst nur an der humanen Leukämiezelllinie CCRF-CEM sowie an Lymphozyten leukämischer Patienten nachgewiesen werden (Gametchu et al. 1993, 1999). Gametchu et al. postulierten auch eine Korrelation der Expression membranständiger Glucocorticoidrezeptoren mit der Induktion von Apoptose (Diba et al. 2001, Chen et al. 1999, Sackey et al. 1997, Gametchu et al. 1987, 2002). Kürzlich gelang es unserer Arbeitsgruppe durch Anwendung einer hochsensitiven Immunfluoreszenzfärbung humane membranständige Glucocorticoidrezeptoren auch unter physiologischen Bedingungen an humanen Monozyten und B-Lymphozyten nachzuweisen (Bartholome et al. 2004).

Es werden mittlerweile einige spezifisch nichtgenomische Effekte mit schneller Signaltransduktion an verschiedenen Zellsystemen diskutiert. Qiu et al. beschrieb die schnelle Hemmung des nikotininduzierten Ca2+- Influx an einer Phäochromozytomzelllinie (PC12) sowie schnelle Aktivierung von p38, JNK und ERK1/2-MAPK (Qiu et al. 1998, 2001). Borski et al. zeigten an primären Fisch-Hypophysenzellen eine schnelle Hemmung der Prolaktin-Freisetzung in vitro innerhalb von 10-20 Minuten, begleitet von einer schnellen Reduktion des intrazellulären Ca2+- und cAMP-Levels (Borski et al. 1991, 2002).

Es wird diskutiert, dass der mGR ein eigenständiges Genprodukt darstellt, wie es für den Progesteronrezeptor von Falkenstein et al. und Bernauer et al. angenommen wird (Falkenstein et al. 1996, Bernauer et al. 2001). Gametchu et al. gehen im Gegensatz dazu davon aus, dass es sich um eine splice-Variante des zytosolischen Glucocorticoidrezeptors handelt, die in die Plasmamembran intergriert werden kann (Chen et al. 1999). Razandi et al. konnten für Östrogene nachweisen, dass nukleäre und membranständige Östrogenrezeptoren von einem gemeinsamen Gentranskript abstammen (Razandi et al. 1999).

Unspezifisch nichtgenomische Wirkungen (Modul III)

Werden sehr hohe Glucocorticoiddosen appliziert, geht man zusätzlich von einem unspezifisch nichtgenomischen Mechanismus aus, der über physikochemische Wechselwirkungen des Glucocorticoidmoleküls mit Biomembranen vermittelt wird und nicht durch spezifische Antagonisten hemmbar ist. Wahrscheinlich interkalieren die Moleküle in Zell- und Mitochondrienmembranen anstelle des strukturell verwandten Cholesterinmoleküls (Buttgereit et al. 1998). Daraus resultierende Modulationen von Membraneigenschaften, wie die veränderte Membranfluidität und erhöhte osmotische Resistenz im Sinne einer Membranstabilisierungmit [Seite 16↓]Beeinflussung der Kationenpermeabilität durch Veränderung des transmembranären elektrischen Potenzials (Hemmung des Transports von Ca2+, K+ und Na+ über die Membran) und die Veränderungen im Phospholipidstoffwechsel führen zu einer Beeinflussung des zellulären Energiestoffwechsels. Schmid et al. konnten in in vitro-Experimenten mit Con A-stimulierten humanen Lymphozyten eine Reduktion des zellulären Sauerstoffverbrauchs durch sehr hohe Dosen von Methylprednisolon im Bereich von 10-4 M zeigen, während die Proteinsynthese hierdurch kaum beeinflusst wurde (Schmid et al. 2000). Buttgereit et al. wiesen nach, dass durch sehr hohe Dosen von Methylprednisolon im gleichen Konzentrationsbereich der Ca2+- und Na+-Influx in Con A-stimulierten Rattenthymozyten gehemmt wird (Buttgereit et al. 1997). Vergleichbar hohe Konzentrationen werden in vivo bei der intravenösen Stoßtherapie oder bei intraartikulären Injektionen erreicht. Buttgereit et al. konnten zudem zeigen, dass die Beeinflussung des zellulären Energiestoffwechsels dabei nicht durch eine verminderte ATP-Bereitstellung infolge einer direkten Hemmung der oxidativen Phosphorylierung erfolgt, sondern durch eine nichtgenomisch vermittelte Inhibition ATP-verbrauchender Prozesse wie dem Kationentransport über die Membran (Buttgereit et al. 1993). Die unspezifisch nichtgenomische Modulation des zellulären Energiehaushalts durch Glucocorticoide hat Einfluss auf die Immunfunktion der Zelle (Buttgereit et al. 2002, 2000). In den letzten Jahren konnten verschiedene Zellsysteme hinsichtlich ihres zellulären Energiestoffwechsels quantifiziert und durch den Vergleich ATP-bildender und -verbrauchender Prozesse umfassend energetisch bilanziert werden (Buttgereit et al. 1991, 1992, 1995, Schmid et al. 2000, Kuhnke et al. 2003).

Erweiterung des modularen Wirkmodells

Neuen Hinweisen zufolge können schnelle Glucocorticoidwirkungen auch infolge spezifischer Interaktionen mit dem cGRα transkriptionsunabhängig hervorgerufen werden. Dabei werden schnelle intrazelluläre Signaltransduktionswege aktiviert (Buttgereit et al. 2002, Borski et al. 2002, Cato et al. 2002, Reichardt et al. 2001).

Croxtall et al. konnten nachweisen, dass die dexamethasonabhängige Phosphorylierung von Lipocortin 1 bereits sehr früh nach 5 Minuten eintritt und trotzdem über zytosolische Glucocorticoidrezeptoren vermittelt ist. Sie kann durch RU486 antagonisiert werden, zeigt aber keine Sensitivität gegenüber Aktinomycin. Es wird vermutet, dass dieser Mechanismus durch Kinasen wie src, die neben den Hitzeschockproteinen zusätzlich am Multi-Protein-Komplex des zytosolischen Glucocorticoidrezeptors assoziiert sind, vermittelt ist (Pratt 1998, Croxtall et al. 2000).


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Solito et al. zeigten, dass Dexamethason die Serin-Phosphorylierung von Annexin 1 und die Translokation an die Zellmembran innerhalb von 30 Minuten induziert und dass dieser PKC- und IP3-abhängige Signaltransduktionsweg durch RU486, nicht aber durch Aktinomycin oder Cycloheximid blockierbar ist (Solito et al. 2003).

Zudem konnte gezeigt werden, dass auch verschiedene schnelle Signaltransduktionswege, die rezeptorabhängig, aber transkriptionsunabhängig sind, eine Rolle bei der glucocorticoid-induzierten Apoptose spielen. Dexamethason führt in Maus-Thymozyten zu einer schnellen aSMase-abhängigen Ceramidinduktion innerhalb von 15 Minuten. In der Folge kommt es zur Aktivierung von Caspasen (8, 9 und 2) und Apoptose. Zudem induziert Dexamethason innerhalb von 5 Minuten die PKC- und PI-PLC-abhängige Generation von DAGals Voraussetzung für die Aktivierung der aSMase (Cifone et al. 1999). Marchetti et al. konnten zudem zeigen, dass PI-PLC an die Glucocorticoidrezeptor-assoziierte Src-Kinase bindet und Dexamethason die Phosphorylierung und Aktivierung der PI-PLC induziert. Die src-abhängige Aktivierung der PI-PLC ist ein Teil des Signaltransduktionswegs der Dexamethason-induzierten Apoptose (Marchetti et al. 2003).

1.2 Struktur-Wirkungsbeziehung von Glucocorticoiden

Durch Hydroxylierungen von Cortison an den Positionen 11, 17 und 21 entsteht Cortisol mit einer verstärkten Bindungsaffinität zum cGR. Kristallstrukturanalysen der cGRα-Lingandbindungsdomäne weisen auf ein umfangreiches Wasserstoffbrückennetz zwischen den Hydroxylgruppen der Glucocorticoide und dem cGRα hin (Bledsoe et al. 2002). Die Differenzierung von mineralocorticoiden und glucocorticoiden Wirkungen gelang durch die Einführung einer zweiten Doppelbindung zwischen den C-Atomen an Position 1 und 2 am Ring A des Cortisols (Shroot et al. 1982). Das daraus resultierende Prednisolon hat eine vierfach stärkere glucocorticoide und eine nur zweidrittel so starke mineralocorticoide Wirksamkeit als Cortisol. Halogenierungen an Position 9α und 6α steigert die Bindungsaffinität an den cGRα aber auch an den Mineralocorticoidrezeptor. Eine weitere Monohalogenierung an Position 16 steigert dagegen die glucocorticoide Wirksamkeit nochmals und lässt die mineralocorticoide Wirksamkeit fast vernachlässigbar klein werden (Rupprecht et al. 1993, Dahlberg et al. 1984).

In der vorliegenden Arbeit wurde Dexamethason als systemisch wirksame Referenzsubstanz verwendet. In der klinischen Praxis wird es sowohl systemisch als auch topisch (z.B. inhalativ, [Seite 18↓]intraartikuläre Injektion) appliziert. Durch seine Methylierung an Position 16 gehört es zu den am stärksten wirksamen synthetischen Cortisolanaloga.

Dem Einsatz systemischer Glucocorticoide stehen als weitere Applikationsform topische Glucocorticoide gegenüber. Sie sind v.a. bei der inhalativen Therapie von Atemwegserkrankungen, insbesondere des Asthma bronchiale (Budesonid, Beclomethason) und bei Haut- und Schleimhauterkrankungen (Clobetasol) indiziert, werden aber auch für intraartikuläre Injektionen bei entzündlichen Gelenkerkrankungen verwendet.

Topische Glucocorticoide, die in der Dermatologie zum Einsatz kommen, wirken ebenso wie die systemischen Glucocorticoide antiinflammatorisch, antiproliferativ und immunsuppressiv. Lokal werden dabei v.a. die Glukosaminoglykansynthese in der Dermis und der Stoffwechsel der Fibroblasten gehemmt (Proliferationsrate). Man geht bisher davon aus, dass Corticoidexterna vor allem über den cGR-vermittelten genomischen Weg wirken. Topische Glucocorticoide der vierten Generation (soft-steroids) haben eine besonders hohe Bindungsaffinität. Ab einer bestimmten lokalen Glucocorticoidkonzentration kommt es zu keiner weiteren Steigerung der entzündungshemmenden Wirkung, wahrscheinlich weil dann die maximale Rezeptorbindung erreicht ist (Brazzini et al. 2002).

Man unterscheidet vier Generationen und vier Wirkstärkeklassen corticoidhaltiger Dermatopika. Clobetasol-17-propionat ist ein stark wirksames topisches Glucocorticoid der Klasse IV aus der zweiten Generation. Es ist an C-Atom 9 fluoriert und an C-Atom 17 verestert. Veresterungen an Position 17α sind für die topische Therapie entscheidend. Sie erhöhen die Lipophilie, so dass eine bessere lokale Penetration erreicht werden kann (Gysler et al. 1999). Sie sind aber auch für eine erhöhte Bindungsaffinität zum cGRα verantwortlich (Shroot et al. 1982).

Aufgrund ihrer guten therapeutischen Effektivität und ihres geringen Nebenwirkungsprofils haben topische inhalative Glucocorticoide die systemischen Glucocorticoide vor allem in der Langzeittherapie verschiedener pulmonaler Erkrankungen zunehmend verdrängt.

Bekannt sind dabei genomisch und unspezifisch nichtgenomisch vermittelte Effekte. Überwiegend nukleär gesteuert ist die entzündungshemmende Wirkung (spezifische Proteinsynthese, z.B. Lipocortin 1-abhängige Inhibition der zytoplasmatischen PLA2 im Arachidonsäuremetabolismus, Adcock et al. 1996). Über einen nukleären Mechanismus gehemmt werden auch Antigenpräsentation, Aktivierung von eosinophilen Granulozyten und[Seite 19↓] Transkriptionsfaktoren wie NF-κB oder AP-1 und damit die Zytokinproduktion von IL-6 u.a. (Whelan et al. 1999, Lozewicz et al. 1992, Masuyama et al. 1994).

Es wird angenommen, dass der Rückgang der bronchialen Hyperreagibilität nichtgenomisch über eine Modulation des Ca2+-Influx und –Efflux vermittelt ist. Weitere unspezifisch vermittelte Effekte einer topischen Glucocorticoidtherapie sind die antiödematöse Wirkung (anti-leakage-Effekt), die reduzierte Hyper- (Dys-)krinie (anti-glue-Effekt), die Inhibition der Lipidperoxidation und die verminderte Freisetzung von Entzündungsmediatoren. Dabei kommt es über eine Interkalierung in die Zellmembran zu einer Membranstabilisierung, wobei Plasmakonzentrationen von > 10-6M erforderlich sein sollen.

Beclometason-17,21-dipropionat wird als prodrug inhaliert. Es ist an C-Atom 9 chloriert und an C-Atom und 21 verestert. Während die Veresterung an Position 17α die lipophilen Eigenschaften und die Bindungsaffinität zum cGR erhöhen, werden sie durch die Doppelveresterung am C-Atom 21 über einen negativen sterischen Effekt der Seitenkette erniedrigt. Glucocorticoid-Doppelester besitzen also eine Bindungsaffinität, die zwischen der Bindungsaffinität von 17-Estern und 21-Estern liegt (Shroot et al. 1982, Ponec et al. 1986). Beclomethason-17,21-dipropionat wird in der Lunge durch Hydrolyse am C-Atom 21 in den biologisch aktiven Metaboliten umgewandelt.


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Abb. 3: Chemische Struktur von Dexamethason, Clobetasol und Beclomethason.

1.3 Bisherige Untersuchungen zu Wirkungsprofilen von Glucocorticoiden

Buttgereit et al. und Schmid et al. konnten zeigen, dass sich die relativen Wirkpotenzen von Glucocorticoiden nicht nur hinsichtlich ihrer genomischen sondern auch ihrer nichtgenomischen Wirkmechanismen unterscheiden. Sie untersuchten den schnellen unspezifischen Einfluss verschiedener Glucocorticoide auf den zellulären Energiestoffwechsel, Proteinbiosynthese, Na+/K+- und Ca2+-ATPase an Rattenthymozyten bzw. humanen Lymphozyten. Die eingesetzten Glucocorticoide riefen inhibitorische Effekte auf die Zellatmung und ATP-verbrauchende Prozesse über einen weiten Konzentrationsbereich hervor. Den Äquivalenzdosen entsprechend wurde die relative Wirkpotenz ermittelt. Dexamethason besitzt eine um etwa 50 % stärkere nichtgenomische Potenz als Methylprednisolon. Prednisolon weist nur etwa ein Drittel der [Seite 21↓]Potenz von Methylprednisolon auf. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass Glucocorticoide in ihren nichtgenomischen Potenzen von den genomischen abweichen (Buttgereit et al. 1999, Schmid et al. 2000).

Croxtall et al. verglichen zwölf Glucocorticoide bezüglich genomisch und nichtgenomisch vermittelter Effekte in A549 Zellen (Croxtall et al. 2002). Dabei zeigte Beclomethason im Vergleich zu Dexamethason eine deutlich stärkere Potenz in Bezug auf Zellwachstum, PGE2-Generation und COX2-Expression, während alle topischen Glucocorticoide keinen signifikanten Einfluss auf den Arachidonsäuremetabolismus und die Aktivierung der zytoplasmatischen PLA2 zeigten.

1.4 Fragestellung der vorliegenden Arbeit

In vorausgegangenen Arbeiten zum Vergleich nichtgenomischer Wirkungsstärken verschiedener systemisch wirksamer Glucocorticoide wurden sehr deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Glucocorticoiden – abweichend von der gut bekannten Hierarchie für genomische Wirkungen – gefunden. In Fortsetzung dieser Arbeiten stellte sich die Frage nach den nichtgenomischen Wirkungen von topisch applizierten Glucocorticoiden. Die Arbeitshypothese war, dass gerade bei diesen Substanzen eine sehr starke nichtgenomische Wirksamkeit vorliegen sollte. Diese Hypothese begründete sich aus der Tatsache, dass topisch angewandte Glucocorticoide lokal (Haut, Bronchialschleimhaut) so hohe Konzentrationen erreichen, dass auch nichtgenomische Mechanismen ihre gute klinische Wirksamkeit begründen.

In der vorliegenden Arbeit sollte daher erstmals an zwei topisch wirksamen Glucocorticoiden, Clobetasol und Beclomethason, ex vivo die nach den einzelnen Wirkungen differenzierte Dosis-Wirkungs-Relation an humanen Zellen des Immunsystems im Vergleich zu Dexamethason ermittelt werden. Clobetasl-17-propionat (Dermoxinale®) wird in der Gruppe IV geführt, zählt also in der Dermatologie zu den am stärksten wirksamen Glucocorticoiden. Eine sinnvolle Ergänzung dieser Untersuchungen stellte die vergleichende Messung der Effekte von Beclomethason-17,21-dipropionat (Sanasthmyl®) dar, da es zu den wirksamsten Substanzen in der topischen (inhalativen) Therapie des Asthma bronchiale zählt (Lipworth 1993).

Mit diesen beiden Substanzen sollten topisch angewandte Medikamente untersucht werden, um deren Wirkmechanismus näher zu charakterisieren und um die biochemische Basis für deren [Seite 22↓]hohe Wirkungsstärke zu erforschen. Diese beiden Medikamente waren für unsere Untersuchungen besonders geeignet, da ihre Wirkungen zur Behandlung dermatologischer und pneumologischer Erkrankungen gut bekannt und dokumentiert sind. Des Weiterenwaren von ihnen als topisch wirksame Substanzen und aufgrund von klinischen Überlegungensowohl genomische als auch nichtgenomische Wirkungen zu erwarten.

Deshalb wurde ihr Einfluss auf die mitogen stimulierte IL-6-Synthese humaner PBMC mittels ELISA (genomischer Wirkmechanismus, Buttgereit et al. 1995) und ihre Effekte auf den Sauerstoffverbrauch humaner PBMC mittels Clark-Elektrode (unspezifisch nichtgenomischer Wirkmechanismus, Buttgereit et al. 1997) untersucht. Zur besseren Interpretation der für die verschiedenen Glucocorticoide gewonnenen Ergebnisse zum Sauerstoffverbrauch wurde vergleichend der Atmungskettenhemmstoff Myxothiazol untersucht. Myxothiazol bindet an Cytochrom c der mitochondrialen Elektronentransportkette und hemmt damit direkt und irreversibel den weiteren Elektronenfluss vom Cytochrom-b/c1-Komplex zum Cytochrom-Oxidase-Komplex. Damit wird die treibende Kraft für die mitochondriale ATP-Synthese blockiert. In Hinsicht auf den postulierten unspezifisch nichtgenomischen Wirkmechanismus der Glucocorticoide war es sinnvoll, den Vergleich zu einem bekannten Hemmstoff der Atmungskette herzustellen. Bei der glucocorticoid-induzierten Apoptose geht man davon aus, dass sie über alle drei bekannten Mechanismen wirkt (genomisch, spezifisch/unspezifisch nichtgenomisch). Es wurde daher durchflusszytometrisch der Einfluss der topischen Glucocorticoide auf Apoptose humaner PBMC untersucht. Am Ende der Untersuchungen sollte eine klare Aussage stehen, welche Wirkungen bei welchen Konzentrationen in welchem Umfang auftreten. Eine derartige komplette Charakterisierung von einzelnen Glucocorticoiden existiert derzeit nicht und wurde daher mit dieser Arbeit erstmalig angestrebt. Erkenntnisse dieser Art sind für die klinische Medizin (gezielter Einsatz), aber auch für die pharmazeutische Industrie („drug design“) von großer Bedeutung.

Die Untersuchungen wurden an humanenLymphozyten des peripheren Blutes durchgeführt, weil sie eine zentrale Stellung in der zellulären und humoralen Immunantwort einnehmen und eine bedeutende Rolle in der Ätiopathogenese und Therapie immunologischer und autoimmunologischer Erkrankungen spielen. Sie sind stimulierbar, teilungsfähig und besitzen alle wichtigen Zellbestandteile und Funktionen. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des peripheren Blutes und als PBMC in ausreichender Menge erhältlich.


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26.04.2005