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1  Einleitung

Herz-Kreislauf-Erkrankungen spielen in der westlichen Industriegesellschaft eine dominierende Rolle. Zunehmende Bedeutung hat die chronische Herzinsuffizienz, da ihre Inzidenz als einzige Herz-Kreislauf-Erkrankung in den vergangenen Jahren angestiegen ist. Ihre Prävalenz betrug 1994 in der Bundesrepublik Deutschland etwa eine Million. Die Krankheit war für über 50 000 Todesfälle verantwortlich und machte 6 % der Gesamtsterblichkeit aus. 10 % aller Patienten waren älter als 70 Jahre.

Frühere Studien, beispielsweise die Framingham-Studie (1), wiesen die Hypertonie vor der koronaren Herzkrankheit (KHK) als wichtigste Ursache einer Herzinsuffizienz aus. Es zeigte sich folgende Pathogenese: Hypertonie, KHK, Herzinfarkt, Herzinsuffizienz. Nach neueren Studien sind jedoch in diesem Ablauf Veränderungen zu beobachten (Abb. 1). So wurde bei 40 % der Patienten mit Herzinsuffizienz eine KHK, jedoch nur bei 17 % eine arterielle Hypertonie festgestellt. Erklären könnte sich dies durch Fortschritte in der Hochdruckbehandlung. Andererseits konnte die Prognose der KHK im Stadium des akuten Infarkts durch die Möglichkeit der Fibrinolyse und den frühen Einsatz revaskularisierender invasiver Maßnahmen verbessert werden. Pathogenetisch tritt damit die chronische Herzinsuffizienz als Folge des überstandenen Myokardinfarkts in den Vordergrund.

Abb. 1 : Abnehmende Bedeutung der Hypertonie hinsichtlich der Genese Herzinsuffizienz

Braunwald (2) definierte die Herzinsuffizienz als Zustand des Herzens, bei dem pathologische Veränderungen der Funktion dazu führen, dass die pro Zeiteinheit ausgeworfene Blutmenge zur vollständigen Realisierung metabolischer Prozesse in peripheren Organen nicht ausreicht oder der periphere Blutbedarf nur bei einem hohen Füllungsdruck gedeckt werden kann. Die [Seite 2↓]erweiterte Definition von Packer (3) berücksichtigt die Bedeutung neuronaler und vegetativer Regelkreise in der Entwicklung der Herzinsuffizienz. Danach ist sie ein „komplexes klinisches Syndrom, charakterisiert durch Störungen der Ventrikelfunktion und der vegetativen und neurohumoralen Regulation, begleitet von Leistungsminderung, Flüssigkeitsretention und reduzierter Lebenserwartung“.

Der in Abb.2 dargestellte „circulus vitiosus“ zeigt schematisch die Bedeutung der vegetativen und neurohumoralen Stimulation im Rahmen der Erkrankung. Die Störung der Herzfunktion kann sich akut – innerhalb von Sekunden bis Tagen – oder chronisch – innerhalb von Monaten bis Jahren – herausbilden. Als Ursache der Herzinsuffizienz werden mechanisch induzierte (Drucküberlastung, Volumenüberlastung, Kinetikstörung, Muskelfaserverlust) oder direkt metabolisch bedingte Stoffwechselveränderungen (Koronarsklerose, Myokarditis, Kardio­myopathie) angesehen.

Die initialen Störungen, die die Pathogenese der Herzinsuffizienz in Gang setzen, umfassen hypoxisch-ischämische, rheumatisch-entzündliche, pharmakologisch-toxische, endokrine und hypertrophie-induzierende Elemente. Als biochemisches Korrelat zur Kontraktilitäts­einschränkung des Myokards werden u.a. Aktivitätseinschränkungen des β-Rezeptor-Adenylcyklase-Systems, verminderte Aktivität der myofibrillären ATP-ase, Veränderungen des Myosin-Isoenzymmusters und Störungen des Ca-Flusses beschrieben (4).

Als Reaktion auf die Dysfunktion des Myokards werden Kompensationsmechanismen aktiviert, die eine Stabilisierung bzw. Steigerung der Herzleistung und damit Anpassung des Herzens an erhöhte Leistungsanforderung ermöglichen (Adaptation). Diese „kompensierte hypertrophe Phase“ ist jedoch zeitlich begrenzt. Da die Leistungssteigerung zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf des Herzens führt und gleichzeitig die zur Adaptation notwendigen und mit ihr einhergehenden morphologisch- und histologisch-anatomischen Veränderungen im Herzen zu einer verlängerten Diffusionsstrecke für das oxygenierte Blut führen, ergibt sich ein relatives Sauerstoffdefizit. Folgen in diesem – nach Katz (5) „energy-starved heart“ – sind Myokard­ischämie und eine Umstellung der Substratverwertung. Auf subzellulärem Niveau werden Schädigungsreaktionen initiiert, die zu einer kontinuierlichen Verschlechterung der Herzfunktion und damit Dekompensation führen.

Die wesentlichen experimentellen und in klinischen Studien ermittelten Daten zu den kardialen Adaptationsprozessen nach Myokardschädigung und die Bedeutung dieser Adaptations­[Seite 3↓]reaktionen für die Pathogenese dieser Krankheit wurden in einer Vielzahl von Übersichten beschrieben. Die folgende Darstellung basiert auf Arbeiten von Swynghedauw (4), Eichhorn und Bristow (6), Blaufarb und Sonnenblick (7), Colucci (8), Bristow (9) und Holtz (10).

Abb. 2 a: Circulus vitiosus der Herzinsuffizienzentwicklung

Zeitlich wird eine Aufeinanderfolge von Kompensationsmechanismen beobachtet: 1. Zunahme der Herzfrequenz, 2. Zunahme der Kontraktilität, 3. Vorlaststeigerung und 4. 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 des Renin-Angiotensin-Systems (RAS). Im Ergebnis können zeitlich begrenzt der Blutbedarf gedeckt und damit die metabolischen Funktionen aufrechterhalten werden. Parallel dazu kommt es zu strukturellen und funktionellen Umbauprozessen im Myokard, die unter dem Begriff „Myokardremodeling“ zusammengefasst werden. Myokardremodeling findet sich als physiologischer Vorgang bei Leistungssportlern und dient der Anpassung des Herzens an die gesteigerte Leistungsanforderung. Myokardremodeling im Verlauf der Herzinsuffizienz dient kurzzeitig ebenfalls der Aufrechterhaltung der kardialen Leistung, verstärkt jedoch zunehmend die myokardiale Dysfunktion. Das pathologische Myokardremodeling schließt die Zunahme der Myokardmasse ein, verbunden mit Hypertrophie der Einzelmyozyten, einer veränderten Genexpression mit bevorzugter Exprimierung fetaler Gene und Änderungen in Qualität und Quantität der zellulären Matrix und einer Apoptoseinduktion.


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Abb. 2b: Circulus vitiosus bei Herzinsuffizienz, entnommen „Therapie der Herzinsuffizienz“, Prof. Strödter, UNI.MED Verlag 2000, S. 25

Am Beispiel der Herzinsuffizienz, hervorgerufen durch einen Myokardinfarkt, wurde gezeigt, dass das Remodeling zeitlich unterschiedlich auftretende strukturelle und funktionelle Veränderungen beinhaltet. Zu den frühen Remodelingprozessen zählt der in der akuten Infarktphase eintretende Zellverlust, gefolgt von Umbau und Narbenbildung des Bindegewebes im infarzierten Myokard. Die daraus resultierenden strukturellen Gewebeveränderungen, die in die Übergangsregion zum nicht betroffenen Myokard hineinreichen, bilden die Grundlage für die Vergrößerung des infarzierten Gebietes. Zur Kompensation des Verlustes von funktionsfähigem Myokard reagiert das nicht infarzierte Gewebe mit Dilatation und Myozytenhypertrophie. Endresultate sind ein vergrößerter Ventrikel, erhöhter linksventrikulärer enddiastolischer Druck und gesteigerte Wandspannung. Der Benefit für die Herzleistung ist dennoch nur mäßig.

Von größerer Bedeutung für die Entstehung der Herzinsuffizienz ist nach der akuten Infarkt­phase das „späte“ Remodeling im gesunden, gut perfundierten Myokard infolge der hämodynamischen Belastung und der permanent gesteigerten Wandspannung (7). Typisches Zeichen des „späten“ Remodeling ist eine zunehmende Myokardhypertrophie, die über die Reduzierung der Wandspannung eine zeitlich begrenzte Anpassung des Herzens an die gesteigerte hämodynamische Belastung ermöglicht. Die Myokardhypertrophie ist das Resultat von Kardiomyozytenhypertrophie sowie Hypertrophie und Hyperplasie von Fibroblasten und Endothelzellen. Es gibt zudem Hinweise auf eine Hyperplasiefähigkeit von Kardiomyozyten, [Seite 5↓]von der angenommen wird, dass sie eine „Wachstumsreserve“ im schwer geschädigten Myokard darstellt.

Wichtige zelluläre Veränderungen im Verlaufe des Remodelings resultieren aus der Reaktivierung des fetalen Genprogramms der Kardiomyozyten. Typisch sind u.a. die verstärkte Expression der Creatinkinase B- und LDH-M-Untereinheit. Im kontraktilen Apparat wird vermehrt Troponin T-Myosin und das V-Myosin exprimiert. Im Gegensatz zum normalen Herzen kommt es zur ventrikulären ANP-Expression. Weitere Veränderungen betreffen Ionenkanäle und Calcium-regulierende Proteine. Letztlich führt die Bildung neuer Sarkomere zur Längenausdehnung der Kardiomyozyten, deren Volumen um bis zu 100 % zunehmen kann. Proliferation von Fibroblasten, interstitielle Fibrose und Veränderungen in der Menge und Zusammensetzung der extrazellulären Matrix laufen parallel zu den Myozytenveränderungen.

Zunehmender Kardiomyozytenverlust durch Nekrose und Apoptose wird gleichfalls beobachtet. Bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Myokardremodelings wird eine DNA-Fragmentierung beobachtet als Zeichen der Induktion der Apoptose, die Resultat der Aktivierung von Endonucleasen ist. Da Apoptose während der Entwicklung physiologisch ist, könnte die Reaktivierung des fetalen Genprogramms in den Kardiomyozyten Ursache der mit dem Myokardremodeling zunehmenden Apoptoserate im Herzen sein. Bekannt ist, dass die meisten Myokardhypertrophie-induzierenden Stimuli (mechanische Dehnung des Myokards, Hypoxie, Ischämie und Reperfusion, Entzündungsmediatoren, Katecholamine, Angiotensin) gleichzeitig auch Apoptoseinduktoren sind. Zunehmend wird die Apoptose von Kardiomyozyten als ein wesentlicher Mechanismus in der Pathogenese der Herzinsuffizienz angesehen.

Wird die hämodynamische Überlastung des Herzens nicht unterbrochen, stößt die primär zur Kompensation eingeleitete Hypertrophie an ihre Grenzen. Die Fibrosierung und Apoptose, die Vergrößerung des Kammervolumens und letztendlich hochgradige exzentrische Dilatation führen dazu, dass das Herz „dekompensiert“, es wird „insuffizient“ mit der Konsequenz des Pumpversagens.

1.1 Herzinsuffizienz, adrenerges System und RAS

Die Kompensationsmechanismen, die bei erhöhter Leistungsanforderung an das Herz einsetzen (physiologisch z.B. Hochleistungstraining, pathophysiologisch z.B. nach Infarkt), sind an die Aktivierung von adrenergem System und RAS gebunden (Abb. 2a/b).


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Gesteigerte Plasmaspiegel von Katecholaminen, Renin und Angiotensin II sind bei Patienten mit Herzinsuffizienz bekannt. Im Rahmen der Aktivierung von katecholaminergem System und RAS bestehen wechselseitige Beziehungen. So wird die Freisetzung von Renin aus der Niere über den adrenergen β1-Rezeptor vermittelt. Angiotensin II wiederum stimuliert die präsynaptische Freisetzung von Noradrenalin. Hauptsächlich Noradrenalin und Adrenalin, vermittelt über den adrenergen β1-Rezeptor, sind für die Zunahme von Herzfrequenz und ‑kontraktilität verantwortlich. Die Vorlastzunahme, die über den Frank-Starling-Mechanismus zur Erhöhung des Schlagvolumens führt, ist Resultat der Aktivierung von RAS und adrenergem System. So ist Angiotensin II ein Hauptmediator der Aldosteronsekretion. Die sekundär eintretende Natrium- und Wasserretention in der Niere erhöht die Vorlast. Zur Minimierung der nach Aktivierung des RAS und des adrenergen Systems einsetzenden Vasokonstriktion wird die Synthese von Vasodilatatoren (z.B. Prostaglandinen) gesteigert.

Auch das Myokardremodeling steht in enger Beziehung zur Aktivierung des RAS und adrenergen Systems. Als bedeutendster Stimulus des Myokardremodelings wird der mechanische Stress der Ventrikelwand infolge der hämodynamischen Belastung angesehen. Durch Dehnung von Myozyten werden Stoffwechselwege aktiviert und Proteine exprimiert, denen Bedeutung im Wachstum zuzuschreiben ist (z.B. Proteinkinase C, Induktion fetaler Gene, verschiedene Wachstumsfaktoren). Der Proteingehalt gedehnter Myozyten kann um 30 % zunehmen. Die parallele Freisetzung von Angiotensin II könnte auf eine Mediatorwirkung des RAS bei der mechanisch induzierten Herzhypertrophie hinweisen. Angiotensin erhöht die Proteinsynthese in Kardiomyozyten und die DNA-Synthese in kardialen Fibroblasten. Typisch für die Wirkung des lokalen kardialen RAS ist die Hochregulation der ACE-Aktivität, die Steigerung der Konzentration an Angiotensinogen-mRNA sowie eine hohe AT1-Rezeptordichte im hypertrophierten Herz.

In vitro wurde gezeigt, dass auch adrenerge Stimulation zum Wachstum von Kardiomyozyten führt, verbunden mit der Re-Induktion fetaler Gene. Die Stimulierung des RAS und adrenergen Systems unterstützt Nekrosevorgänge und die Apoptoseinduktion. Die zytotoxische Wirkung von Katecholaminen ist seit langem bekannt. Angiotensin kann über die Stimulation der Noradrenalinfreisetzung diesen Prozess fördern, jedoch auch direkt zytotoxisch auf Kardiomyozyten wirken. Die exzessive Freisetzung von Angiotensin und Noradrenalin im geschädigten Herz kann damit zur Nekrose führen.


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Die dehnungsinduzierte Apoptose in Kardiomyozyten ist an die Freisetzung von Angiotensin aus Kardiomyozytengranula gebunden. Inkubation von Kardiomyozyten mit Angiotensin führt ebenfalls zur Apoptose. In entsprechenden Versuchsreihen verhinderte eine AT1-Rezep­torblockade die Apoptose. Apoptose konnte auch durch Inkubation von Kardiomyozyten mit Noradrenalin induziert werden. In diese Richtung weist auch der Befund, dass eine Überexpression von β1-Rezeptoren bzw. Gαs-Proteinen mit einer gesteigerten Apoptoserate im Herz von Mäusen verbunden ist.

1.2 Oxidativer Stress und Herzinsuffizienz

Weniger bekannt ist, welche Reaktionswege von den unterschiedlichen mechanischen und metabolischen Initialreaktionen zum relativ uniformen Erscheinungsbild der manifesten Herzinsuffizienz führen. Heute wird angenommen, dass die Zunahme von oxidativem Stress im Herz eine wesentliche Komponente in der Pathogenese der Herzinsuffizienz darstellt. Neben einer Vielzahl von tierexperimentellen Studien, deren Befunde bereits mehrfach zusammen­fassend dargestellt wurden (11, 12), weisen auch mehrere klinische Studien auf eine Assoziation von Herzinsuffizienz und gesteigertem oxidativen Stress (13-19) hin. Unterstützt wird diese Hypothese durch die signifikante positive Korrelationen des Ausmaßes an oxidativem Stress zur NYHA-Klasse bei gleichzeitiger negativer Korrelation desselben zur Herzfunktion.

In die gleiche Richtung weist eine Studie, die eine Abnahme von oxidativem Stress parallel zur therapeutisch bedingten Verbesserung der Herzfunktion, d.h. zu einem Wechsel in eine niedrigere NYHA-Klasse zeigt (20). Auch der Nachweis von gesteigertem myokardialen oxidativen Stress bei Herztransplantatempfängern (22), die mit zunehmender Posttransplan­tationszeit eine Herzinsuffizienz entwickeln, untermauert die pathogenetische Bedeutung von oxidativem Stress. Als wesentlich für die Entstehung von oxidativem Stress wird eine erhöhte Generierung von Sauerstoffradikalen angesehen, welche häufig mit einer verminderten Inaktivierung der Radikale einhergeht. Die für die Herzinsuffizienz letztlich biochemischen Initialreaktionen (hypoxisch, ischämisch, rheumatisch, entzündlich, pharmakologisch-toxisch, endokrin und hypertrophie-induzierend) sind als Auslöser der gesteigerten Sauerstoffradikalbildung bekannt (5). Nach zellphysiologischen und tierexperimentellen Studien löst die Induktion von oxidativem Stress im Herzen, wenn ihm nicht protektiv begegnet wird, eine Kaskade von Schädigungsreaktionen aus (Lipidperoxidation, Thioloxidation), welche die für die Myokardfunktion essentiellen Stoffwechselwege negativ beeinflussen. Auch Störungen [Seite 8↓]im Ca-Stoffwechsel und in der Signaltransduktion sowie Apoptoseinduktion sind typische und bedeutsame Folgen von gesteigertem oxidativen Stress (11, 23).

1.3 Sauerstoffradikale

Der Begriff„Sauerstoffradikale“ wird als Synonym für radikalische und nicht radikalische Moleküle benutzt, die bei univalenter Reduktion von Sauerstoff oder in Reaktionen der primär gebildeten Spezies miteinander bzw. mit anderen Biomolekülen entstehen (Tab. 1). Die hervorstechende Eigenschaft von Sauerstoffradikalen ist ihre Reaktionsfähigkeit, die einenotwendige Voraussetzung für physiologische Reaktionen ist (Fremdstoffmetaboli­sierung, Eikosanoidmetabolismus, Phagozytose, Synthese biogener Amine u.a.), aber über unspezifische Reaktionen auch zur Zellschädigung führen kann.

Tab. 1 : Reaktive Sauerstoff-Spezies und deren Bildungsorte ( 24 )

 

Spezies

Bildungsreaktion

°O2-

Superoxidradikal

Elektronentransport, Leukozytenaktivierung

Methämoglobin-Metmyoglobinsynthese, Autooxidation

°OH

Hydroxylradikal

Gebildet aus °O2- + H2O2 in der Fenton-Reaktion

*O2

Singulettsauerstoff

angeregter Zustand 92,1 kJ/mol

angeregter Zustand 154,9 kJ/mol (ohne biolog. Bedeutung ) über den Grundzustand (3O2), gebildet in der Reaktion: H2O2 + -OCl und O2 + HO°

H2O2

Wasserstoffperoxid

gebildet aus °O2- durch nicht enzymatische Dismutation und direkt aus O2 (divalente Reduktion )

LO°

Alkoxyradikal

Lipidperoxidationsprodukt

LOO°

Peroxydradikal

Lipidperoxidationsprodukt

Lipidradikal

Lipidperoxidationsprodukt

-OCl

Hypochlorid

Myeloperoxidase-Reaktionsprodukt

1.3.1 Superoxid-Radikal (°O2-)

Superoxid entsteht durch univalente Reduktion von Sauerstoff. Physikalische Einflüsse wie UV-Licht, Ultraschall, Röntgen- oder Gammastrahlen führen zur Bildung des Superoxid-Radikals. Von weitaus größerer biologischer Bedeutung ist die Superoxidgenese in Auto­oxidationsreaktionen, an denen Zellbestandteile wie z.B. Hydrochinone, Flavine, Hämoglobin, Glutathion und andere Thiole sowie Ionen von Übergangsmetallen beteiligt sein können. Unter physiologischen Verhältnissen wird das Superoxid-Radikal zu seiner konjugierten Säure protoniert, dem Hydroperoxid-Radikal (HO°2), mit dem es schließlich zu Wasserstoffperoxid und molekularem Sauerstoff disproportioniert. (Gleichung 1).

(1)


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Das zytotoxische Potential des Superoxidradikals ist gering. Lipidperoxidationsreaktionen sind durch Superoxidradikale nicht auslösbar. In biologischen Systemen ist Superoxid Ausgangsprodukt des Hydroxylradikal, welches in metallkatalysierter Reaktion entsteht (Fenton-Reaktion). Hauptkatalysatoren sind hierbei zweiwertige Eisen-, einwertige Kupfer- und vierwertige Mangan-Ionen. Die durchschnittliche intrazelluläre Konzentration der Superoxid-Radikale wird durch das Enzym Superoxiddismutase (SOD) reguliert, welches die spontane Dismutationsgeschwindigkeit um den Faktor 109 steigert. Tyler (25) konnte den Nachweis führen, dass der transmembranäre Transport von °O2--Radikalen durch einen Anionenkanal erfolgt.

1.3.2 Wasserstoffperoxid (H2O2)

Die Zelltoxizität von H2O2 ist vergleichbar mit der des Superoxid-Radikals. H2O2 entsteht bei der Dismutation von Superoxid. H2O2 wird ebenfalls durch D-Aminosäureoxidase erzeugt, ein leukozytäres Enzym, welches bei der Vereinigung eines Phagosoms mit einem Peroxisom die Oxidation von D-Aminosäuren der abzubauenden Membranstrukturen katalysiert. Katalase (in Peroxisomen) und glutathionabhängige Enzymsysteme bauen H2O2 ab.

1.3.3 Das Hydroxyl-Radikal (°OH)

Das Hydroxylradikal gehört zu den reaktivsten Molekülen der Natur. Als wichtigste Entstehungsquelle für °OH in biologischen Systemen wird die Haber-Weiß-Reaktion (Gleichung 2) bzw. deren metallkatalysierte Variante, die Fenton-Reaktion, angesehen (Gleichung 3).

(2)

(Haber-Weiß-Reaktion)

(3)

(Fenton-Reaktion)

In der Fenton-Reaktion fungiert das Superoxid-Radikal als Elektronen-Donator, H2O2 als Elektronen-Akzeptor und Eisen (III) als Katalysator. Trotz des hohen Schädigungspotentials von °OH verfügt der Organismus über keine spezifischen Schutzmechanismen, vergleichbar mit denen für H2O2 und °O2-. Folgen der äußerst hohen Reaktivität sind vor allem DNA-Destruktion und Lipidperoxidation.


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1.3.4  Singulett-Sauerstoff (1O2)

Singulett-Sauerstoff (1O2) stellt den angeregten Zustand des Triplett-Sauerstoffes dar. 1O2 ist eine nicht radikalische Spezies mit hohem Energiegehalt und daher sehr reaktionsfreudig. Insbesondere ungesättigte Fettsäuren sind geeignete Reaktionspartner, wodurch eine Lipidperoxidationskaskade einleitet werden kann.

1.3.5 Hypochlorid (-OCl)

Hypochlorid entsteht durch die in Makrophagen lokalisierte Myeloperoxidase (MPO) während der Phagozytose mikrobieller Strukturen. Hierbei nutzt das Enzym hauptsächlich das in Makrophagen gebildete H2O2 zur Oxidation von Chlorid. Ebenso werden auch andere Halogenide wie Bromid und Jodid als Substrat akzeptiert. In einer zweiten Reaktion kann H2O2mit dem gebildeten OCl-Radikal zu Singulett-Sauerstoff reagieren (Gleichung 4a/4b).

(4a)

(4b)

Als Folgereaktion von -OCl mit Aminoverbindungen (-NH2) können nicht minder reaktionsfreudige Chloramine (R-NH-Cl) gebildet werden.

1.4 Sauerstoffradikalquellen mit Bedeutung für Herzschädigung

Eine Reihe unterschiedlicher Sauerstoffradikalquellen hat Bedeutung für die Entstehung einer Herzinsuffizienz: vorwiegend die mitochondrale Atmungskette, der Purin-, Leukozyten- und Katecholaminstoffwechel sowie Interaktionen in der Arachidonsäurekette.

1.4.1 Mitochondrale Atmungskette

In Mitochondrien entsteht Superoxid als Zwischenprodukt der intrazellulären Atmungskette. Während 96-99 % des Sauerstoffs in der Atmungskette durch Cytochromoxidasen vollständig zu H2O reduziert werden, werden circa 1-4 % als Superoxid freigesetzt. H2O2- und °OH-Bildung, die bei der mitochondrialen Atmung beobachtet werden, sind sekundäre Produkte des Superoxides. Nach Ischämie und anschließender Reperfusion konnten in myokardialen Mitochondrien erhöhte Radikalkonzentrationen nachgewiesen werden (26).


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1.4.2  Xanthinoxidase

Xanthin und Hypoxanthin - Abbauprodukte des Purinmetabolismus - werden mittels Xanthin­oxidoreduktase (XOD) zu Harnsäure abgebaut. Unter physiologischen Bedingungen liegt die XOD in der Dehydrogenase-Form (XDH) vor. XDH nutzt NADH als Elektronenakzeptor. Unter Ischämie kommt es oxidativ oder proteolytisch zur Konversion des Enzyms in die Oxidase-Form. Hierbei dient O2 als Elektronenakzeptor, wodurch mittels XOD Superoxid gebildet wird. Im Verlauf der Ischämie kommt es zur Akkumulation von AMP, Hypoxanthin und Xanthin im ischämischen Areal. Nach Wiedereinsetzen der Perfusion verfügt die XOD damit über ausreichend Substrate zur Superoxidbildung. Eine Reduktion der XOD-induzierten Gewebeschäden konnte mit dem Xanthinoxidase-Inhibitor Allopurinol experimentell in Hunde- und Rattenherzen erreicht werden (27). Im humanen Herz, Kaninchen- und Schweineherz konnte eine XOD/XDH-Aktivität in relevanten Konzentrationen nicht nachgewiesen werden. Untersuchungen von Jarasch (28) zeigen jedoch, dass humane Endothelzellen -Radikaledurch XOD bilden können.

1.4.3 Leukozytenaktivierung

Phagozyten (Neutrophile, Eosinophile, Monozyten und Makrophagen) werden chemotaktisch im Rahmen einer Entzündungsreaktion durch abgestorbene Zellen angelockt. Bei der Phagozytose wird ein hoher Sauerstoffverbrauch beobachtet, welchen man als „respiratory burst“ bezeichnet. Scarpa et al (29) konnten zeigen, dass aktivierte Makrophagen im Vergleich zum Ruhezustand ca. 70 % des intrazellulär aufgenommenen Sauerstoffs zu Radikalspezies metabolisieren. Durch Proteinkinase C vermittelt wird eine membranständige NADPH-Oxidase aktiviert, die den Transfer eines Elektrons vom zytosolischen NADPH auf extrazellulären Sauerstoff unter Bildung von reduziertem katalysiert. Ausgehend von werden durch Dismutation, Fenton-Reaktion und Hydrogenoxidase-Reaktion H2O2, °OH und -OCl gebildet. -OCl reagiert nicht enzymatisch mit H2O2 unter Bildung von Singulett-Sauerstoff.

1.4.4 Katecholaminmetabolismus

Jede verstärkte Ausschüttung von Katecholaminen führt zu ihrem gesteigerten Abbau und damit zur Bildung von , zum einem über ein erhöhtes Substratangebot für den Monoaminooxidaseweg (21), zum anderen durch autooxidative Reaktionen. Eine verstärkte Katecholaminausschüttung infolge eines erhöhten Sympathikotonus bei verminderter [Seite 12↓]Herzleistung stellt daher durch verkürzte Diastolendauer nicht nur eine verschlechterte Perfusionsbedingung für das geschädigte Myokard dar, sondern fördert zusätzlich die Bildung gewebetoxischer Metabolite wie , °OH und H2O2. Durch die zeitverzögerte endogene „Down-Regulation“ der β-Rezeptoren wird die Überstimulation des Herzens blockiert, die lokale Radikalbelastung bleibt jedoch bestehen.

1.4.5 Arachidonsäurekaskade

Die Schädigung der Zellintegrität setzt unabhängig von der Art des Mechanismus chemo­taktisch wirksame wie auch direkt im Zellverband interzellulär-kommunikative Botenstoffe frei. Fast alle Entzündungsmediatoren und Lymphokine, z.B. Vasopressin, Angiotensinogen II, Katecholamine, Thrombin, ADP, Endotoxine, C3b und Antigen-Antikörper-Reaktionen, sind zu einer Phospholipasenaktivierung fähig. Zentrales Ereignis ist die Freisetzung polyungesättigter Fettsäuren (PUFA) aus Membranphospholipiden. PUFA sind Substrate für Oxidationskaskaden, deren entscheidende Enzyme die mikrosomale Cyclooxygenase und die überwiegend zytoplasmatische Lipooxygenase sind. Über beide Wege werden Fettsäurehydroperoxide (LOOH) gebildet, die enzymatisch zu Prostaglandinen und Leucotrienen metabolisiert werden. Im Rahmen des Prostaglandinstoffwechsels wird zusätzlich Singulett-Sauerstoff gebildet. Fettsäurehydroperoxide können auch nicht enzymatisch übergangsmetallkatalysiert zu verschiedenen Radikalspezies umgewandelt werden.

1.5 Sauerstoffradikal- induzierte Schädigungsmechanismen

1.5.1 Lipidperoxidation

Besonders gut untersucht ist die Reaktion von Sauerstoffradikalen mit mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFA), die in einer Reihe von charakteristischen, als Lipidperoxidation bezeichneten Reaktionen modifiziert werden. PUFA sind essentieller Bestandteil von Lipoproteinen und biologischen Membranen. In Gegenwart von OH° wird ein Wasserstoffatom von einer α-Methylengruppe der PUFA abstrahiert. Das entstehende Alkylradikal (L°) stabilisiert sich durch Dien-Konjugation. Die damit eintretende cis-trans-Isomerisierung (Molekülstreckung) stellt den ersten Eingriff in die Struktur von Lipoproteinen und insbesondere von Membranen dar. Durch Anlagerung von Sauerstoff an die Alkylradikale entstehen Peroxydradikale (LOO°), die zu einer erneuten Abstraktion von Wasserstoff aus bisher nicht peroxidierten PUFA befähigt sind. Als Resultat entstehen Fettsäurehydroperoxide (LOOH) und [Seite 13↓]neue Alkylradikale (L°). Die somit eingeleitete Kettenreaktion wird durch den Übergangsmetall-katalysierten Zerfall von Fettsäurehydroperoxiden zu Alkoxy- (LO) und Peroxyradikalen (LOO°) verlängert. Durch die Bildung von Fettsäurehydroperoxiden wird die Hydrophobie der Membran vermindert. In sekundären Reaktionen zerfallen Fettsäure-Hydroperoxide zu Aldehyden (Malondialdehyd, 4-Hydroxynonenal) und Alkanen (Äthan, Pentan). Dieses Prinzip führt letztlich zum vollständigen Abbau von Membranen. Die zelltoxische Wirkung der Lipidperoxidation wird noch dadurch verstärkt, dass die gebildeten Aldehyde mit NH2-Gruppen in Proteinen reagieren und damit Einfluss auf Funktion und Struktur der Proteine nehmen. Neben dem °OH-Radikal ist auch 1O2durch Addition an Doppelbindungen in PUFA als Induktor der Lipidperoxidation denkbar. Aufgrund des unterschiedlichen Gehaltes an PUFA differieren die relativen Peroxidationsraten in isolierten Organellen im Verhältnis Mikrosomen:Mito­chondrien:Lyosomen wie 10:3:1. Hieraus kann auf eine zeitliche Reihenfolge der Membran­veränderungen geschlossen werden. Gesteigerte Lipidperoxidationen werden heute bei einer Vielzahl von Erkrankungen beobachtet. Häufig korreliert das Ausmaß der Lipidperoxidation und der Schweregrad der Erkrankung (30). Ein wichtiger analytischer Marker für die Lipidperoxidation ist die Thiobarbitursäurereaktion.

1.5.2 Proteine

In Proteinen sind insbesondere Methionin-, Histidin- und Tryptophanreste sowie Thiolgruppen von Cysteinen empfindlich gegenüber reaktiven Sauerstoffspezies. So führt beispielsweise die Oxidation von Methionin 358 im aktiven Zentrum des α-1-Antitrypsins zu einer drastischen Verringerung der inhibitorischen Aktivität gegenüber Elastase. Auf die Auswirkungen, die im Zuge von Reaktionen zwischen Proteinen und den während der Lipidperoxidation gebildeten Aldehyden beobachtet werden können (Bildung von Schiff`schen Basen), wurde hingewiesen.

1.5.3 Nukleinsäuren

Eine Beteiligung freier Radikale an mutativen DNA-Veränderungen ist nicht nur durch UV (photolytisch) und durch ionisierende Strahlung möglich, sondern es kommen auch endogene Radikalgeneratoren in Betracht. Veränderungen der Tertiärstruktur wegen intramolekularer Ladungsverschiebungen oder DNA-Kettenbrüchen sind nach Reaktion mit Sauerstoffradikalen möglich.


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1.6  Antioxidative Schutzmechanismen

Protektiver Einfluss auf den Sauerstoffradikal-Stoffwechsel kann auf drei Ebenen genommen werden: 1. durch Verhinderung der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, 2. durch Verhinderung ihrer Wirkung und 3. durch Beseitigung und Reparatur der Schäden.

Wesentlich für die zweite und dritte Ebene ist das antioxidative System, welches aus nicht enzymatischen und enzymatischen Komponenten besteht. Ziel dieses Systems ist es, die physiologisch notwendige Radikalkonzentration zu garantieren sowie gleichzeitig einen schädlichen Konzentrationsüberschusses zu verhindern.

1.6.1 Das nicht enzymatische System

Hierzu zählt man vor allem α-Tocopherol (Vitamin E), β-Carotin (Vitamin A-Vorstufe), Ascorbat (Vitamin C), Glutathion, Harnsäure, Bilirubin, nicht proteingebundene und proteingebundene Thiolgruppen.

1.6.2 Das enzymatische System

Wichtige Bestandteile des enzymatischen Systems sind Glutathionperoxidase (GSH-Px), Glutathion-S-Transferase, Superoxiddismutase (SOD) und Katalase. Die Katalase-Aktivität wird in dieser Arbeit nicht näher betrachtet.

1.6.2.1 Glutathionperoxidase (GSH-Px)

1957 beschrieb Mills (31) erstmals dieses antioxidative Enzym, welches in seinem aktiven Zentrum selenhaltig ist. Das Spurenelement ersetzt hierbei kovalent gebunden das Schwefelatom der Aminosäure Cystein und ist integraler Bestandteil des Enzyms (Gleichungen 5, 6).

(5)

(6)

Das Enzym ist zu 70 % zytosolisch und mit einem Anteil von ca. 30 % in der Mitochondrienmatrix zu finden (32). Es stellt ein wasserlösliches Tetramer mit einem Molekulargewicht von 85 000 Da dar. Jede Subunit (21 000 Da) ist aus einer identischen Aminosäuresequenz aufgebaut und enthält ein Selen-Atom (24). Als Substrat akzeptiert das Enzym spezifische Elektronendonatoren, es zeigt jedoch eine geringe Substratspezifität, da Reaktionen nicht nur mit anorganischem H2O2, sondern auch mit organischen Hydroperoxiden [Seite 15↓](t-Butyl-OOH, Steroid-, Nukleinsäure- und Fettsäureperoxiden) erfolgen. Die GSH-Px-Aktivität ist vom intrazellulären Gehalt an reduziertem Glutathion abhängig. Die Regenerierung von GSH aus GSSG erfolgt durch eine NADPH-abhängige GSH-Reduktase. Pentosephoshatweg, Malatenzym und Isocitratdehydrogenase sind für die NADPH-Bereitstellung verantwortlich. Störungen im NADPH-Stoffwechsel wirken sich auf die Aktivität der GSH-Px aus. Ein Mangel an GSH-Px wie auch ein SOD-Defizit werden für Tumorzellen beschrieben. Die epidemiologische Studie Sharmbergers (33) unterstützt die Annahme, dass ein GSH-Px-Defizit ein Risikofaktor für die Pathogenese der koronaren Herzkrankheit ist. Auch das endemische Auftreten der KESHAN-Herzerkrankung in China könnte dies bestätigen, da sie vornehmlich in Selenmangelgebieten zu finden ist.

1.6.2.2 Glutathion-S-Transferasen (GST)

Dieses Enzym wird als alternativer Pathway zur Glutathion-Peroxidase-Reaktion beschrieben. Die GST ist selenunabhängig und kann hauptsächlich im Zytosol von Hepatozyten, Myozyten und Erythrozyten gefunden werden. Reaktionspartner sind vornehmlich Hydroperoxide und Fettsäureperoxide (Gleichungen 7, 8).

(7)

(8)

Im Zuge von Selenmangelzuständen mit verminderter GSH-Px-Konzentration erfolgt eine vermehrte Expression der GST, so dass eine vorübergehende Kompensation der verminderten GSH-Px-Aktivität möglich ist.

1.6.2.3 Superoxiddismutase (SOD)

Die SOD ist in eukaryontischen Zellen in zwei Isoenzymformen zu finden, welche in unterschiedlichen Zellkompartimenten lokalisiert sind. Das zytosolische Isoenzym (MG 34 000), welches aus zwei Untereinheiten besteht, enthält je Untereinheit ein zweiwertiges Cu- und ein zweiwertiges Zn-Atom. Jede Untereinheit wird durch eine intramolekulare Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinresten stabilisiert. Die SOD-katalysierte Dismutation von reduziertem zählt mit zu den schnellsten enzymatischen Reaktionen im Organismus. Die Funktion des Enzyms konnte mit anderen kupferhaltigen Reagenzien nachgeahmt werden; so können auch D-[Seite 16↓]Penicillinamin, Salicyl-Cu-Chelatkomplex und auch das plasmatische Caeruloplasmin-Superoxid dismutieren.

Das mitochondriale Isoenzym stellt ein Tetramer mit einem MG von 80 000 Da dar, welches im aktiven Zentrum dreiwertiges Mn gebunden hat. Sein katalytischer Beitrag an der Gesamtaktivität des Herzens beträgt rund 10 % der Gesamt-SOD-Aktivität. Die Synthese der Mn-SOD erfolgt extramitochondrial über Enzymvorstufen, welche bei Passage der Mitochondrienmembran zu funktionstüchtigen Katalysatoren umgewandelt werden.

Obwohl die Isoenzyme vergleichbare Substratspezifität aufweisen, scheint ihre biologische Entwicklung divergent verlaufen zu sein, da z.B. die CuZn-SOD durch Cyanid hemmbar ist, sich aber im Vergleich zur Mn-SOD resistent gegenüber Ethanol und Chloroform verhält. Ebenso unterscheiden sich die Genloci der Enzyme: CuZnSOD Chromosom 21, MnSOD Chromosom 6. Die Genexpression ist beeinflussbar durch pO2-Anstieg und intrazellulären O2-Gehalt. Für den katalytischen Mechanismus sind zweiwertiges Kupfer bzw. dreiwertiges Mangan unabdingbar, während zweiwertiges Zink strukturbildende Funktionen erfüllt (Gleichungen 9,10).

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13.01.2005