Ullrich, Oliver: Mechanismen protektiver und destruktiver Funktionen der Poly(ADP-Ribose)-Polymerase-1 (PARP-1) bei Zell- und Gewebeschädigungen

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Kapitel 3. Diskussion und Ausblick

In den vorgestellten Arbeiten konnte ein neuer Mechanismus in Mikrogliazellen identifiziert werden, der einen Signalweg von der PARP-1 im Zellkern bis zur Kontrolle der Migration zum Ort eines neuronalen Schadens repräsentiert. Damit wurde nicht nur ein grundsätzlich neues Regulationsprinzip der Integrin-Expression beschrieben, sondern auch ein molekulares Zielprotein identifiziert, an dem neue therapeutische Strategien zur Neuroprotektion ansetzen könnten. Aufgrund der wesentlichen Beteiligung der PARP-1 sowohl an der Regulation der Mikrogliamigration, als auch an der mikroglialen Eigenprotektion gegenüber oxidativen Streß eröffnet die Hemmung der mikroglialen PARP-1 möglicherweise nun therapeutische Optionen bei den neurologischen Erkrankungen, in denen der Mikroglia eine pathologische Funktion zukommt. Diese ist z.B. beim exzitotoxischen Zelltod im Rahmen des Hirninfarkts oder beim M. Alzheimer der Fall. Bei beiden Erkrankungen, obwohl grundsätzlich verschiedener Pathogenese, erscheint die therapeutische Intervention in sekundäre Schadensprozessen sinnvoll, da entweder das Primärereignis bereits irreversibel eingetreten ist (beim Hirninfarkt) bzw. noch überhaupt nicht bekannt ist (M. Alzheimer).

Im Falle des Hirninfarkts ist die Idee einer therapeutischen Intervention mit PARP-1-Inhibitoren nicht neu, nur liegt dieser eine grundsätzlich andere theoretische Annahme zugrunde: Denn dieser von den Arbeitsgruppen Snyder und Dawson (Eliasson et al. 1997; Zhang et al. 1994) und im weiteren von den Firmen Guilford und Pfizer entwickelte und vertretene Ansatz zielt primär auf die Hemmung der neuronalen PARP-1, um die nach exzitotoxischer Schädigung verursachte Überaktivierung der PARP-1 mit einem folgenden massiven NAD+ - und ATP-Verbrauch, der letztendlich zum Zelltod führt (Ha et al. 2000), zu verhindern. Daher werden PARP-1-Inhibitoren als protektiv gegen den exzitotoxischen Primärschaden bei ischämischen Ereignissen angesehen.

Von den pathobiochemischen Grundlagen her ist dieser Ansatz nicht unproblematisch, denn es ist gut bekannt, daß die PARP-1 wesentlich in die schnelle und effiziente DNA-Reparatur involviert ist (Dantzer et al., 1999) und gerade in Neuronen eine außergewöhnlich hohe Aktivität aufweist (Pieper et al., 2000). Eben diese hohe PARP-1-Aktivität in Neuronen ist aber gerade wahrscheinlich sehr wichtig, um diesen


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postmitotischen Zellen wichtige Reparaturvorgänge und ein Überleben unter den Bedingungen einer Zellschädigung, wie sie gerade im Rahmen des akuten Infarktgeschehens oder später durch die Invasion aktivierter Mikroglia entsteht, zu ermöglichen (Colton et al., 1993). Große Mengen dieser aktivierten Mikrogliazellen werden in der sogenannten Penumbra gefunden (Mabuchi et al., 2000), einem Areal initial überlebender Neurone nach einem ischämischen Insult, in dem Stunden bis Tage nach dem Primärereignis weitere Neurone untergehen. Neueste PET-Studien erbrachten deutliche Hinweise auf eine unmittelbar neurodegenerative Wirkung aktivierter Mikroglia in lebenden Patienten (Cagnin et al., 2001).

Darüberhinaus konnte in dieser Arbeit ein weiteres, von der PARP-1 gesteuertes, protektives System identifiziert werden: Neben der DNA-Reparatur existiert im Zellkern ein schnelles und effizientes proteolytisches Sytem zum Abbau oxidativ geschädigter Histone (Ullrich et al., 1999a; Ullrich et al., 1999b). Die hier präsentierten Arbeiten liefern deutliche Hinweise, daß sowohl die DNA-Reparatur als auch der Abbau geschädigter Histone eine wichtige Voraussetzung zum Erhalt der genomischen Integrität darstellen: Denn unterbleibt der schnelle Abbau geschädigter Histone, kommt es zu einer progredienten Akkumulation von DNA-Schäden, nicht aber zu deren Reparatur (Ciftci and Ullrich et al., 2001b). In diesem Zusammenhang ist interessant, daß Gaziew et al. bereits 1992 eine nukleäre Protease beschrieben haben, die besonders das Histon H1 nur in Anwesenheit von DNA-Schäden abbauen kann (Gaziew et al., 1992). Dieses damals zwar beschriebene, aber nicht aufgeklärte Phänomen lässt sich nun vollständig mit den hier präsentierten Arbeiten erklären: Wir konnten zeigen, daß das Histon H1 sowohl in vitro, als auch in lebenden Zellen in besonderem Maße von dem nukleären 20S Proteasom abgebaut wird, daß über die Interaktion mit der PARP-1 durch DNA-Strangbrüche aktiviert werden kann (Ullrich et al., 1999a; Ullrich et al., 1999b; Ciftci and Ullrich et al., 2001b; Ullrich et al., 2001d).

Die in dieser Schrift vorgestellten Arbeiten beschreiben also zwei völlig neue physiologische Funktionen der PARP-1, die eng mit ihren protektiven Eigenschaften auf Zellebene verbunden sind: Die eine Funktion schützt das Chromatin vor Schäden, die andere Funktion ermöglicht Mikrogliazellen die Exekution ihrer wichtigsten funktionellen Fähigkeit, nämlich die Migration zum Ort des Geschehens. Aber genau diese protektiven und physiologischen Funktionen konvertieren auf Gewebeebene zu einer destruktiven, nämlich wenn entweder gut protektierte Tumorzellen endogenen und exogenen Angriffen (durch Immuneffektorzellen oder durch die Tumortherapie) so


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standhalten können oder invadierende und überaktivierte Mikroglia ungestört ihre schädliche Wirkung im ZNS entfalten kann. In den hier präsentierten Arbeiten konnte gezeigt werden, daß durch Hemmung der PARP in den betroffenen Zellen beides erreicht werden kann: Der Verlust der protektiven Wirkung auf die einzelne Zelle ist mit einem Gewinn für das betroffene Gewebe verbunden: Der Tumorzelltod ist im Sinne des Gesamtorganismus und die gestörte Mikrogliamigration ist im Sinne initial überlebender Neurone nach einem exzitotoxischen Insult.

Der entscheidene Punkt dieser therapeutischen Strategien zur Hemmung der PARP-1 ist auch hier die Frage der Zellspezifität. Diese stellt sich im Zusammenhang mit den Hirninfarkt als besonders kritisch dar: Denn während auf der einen Seite durch Hemmung der PARP-1 der akute neuronale Zelltod verhindert werden könnte, könnte auf der anderen Seite durch Hemmung von Reparatursystemen ein weiterer neuronaler Schaden induziert werden. So besteht grundsätzlich die Gefahr, daß die Therapie mit systemischen PARP-1-Inhibitoren nicht zum erwünschten protektiven Erfolg, sondern zu einer weiteren Destruktion funktionsfähigen Hirnparenchyms führen könnte. Dieses ist umsomehr wahrscheinlich, je später mit dieser Therapie nach dem Initialereignis begonnen wird, also je mehr PARP-Inhibitoren mit nun langsam anlaufenden Reparaturystemen überlebender Neurone interferieren. Aus diesen Gründen scheint die bisher verbreitete Strategie der systemischen PARP-Hemmung bei einem Hirninfarkt keineswegs optimal, und es sollte ein viel spezifischeres Vorgehen favorisiert werden:

Da die PARP-1 in phagozytierenden Mikrogliazellen hochgradig erhöht ist (Ullrich et al. 2001b), nicht aber in ruhenden Mikrogliazellen, und zudem auch noch ihre Migration kontrolliert (Ullrich et al., 2001e), könnte ihre Hemmung in Mikrogliazellen sich spezifisch nur für die aktivierten schädlich auswirken. Zudem konnte beobachtet werden, daß nach Invasion von antisense-PARP-1-Mikrogliazellen nicht nur der sekundäre, mikroglial-induzierte neuronale Schaden verhindert werden konnte, sondern es konnte sogar eine Reduktion des neuronalen Schadens unter das Niveau des Primärschadens beobachtet werden (Ullrich et al., 2001e). Dieses könnte auf eine noch vorhandene Produktion, Sekretion und Wirksamkeit protektiver Zytokine aus antisense-PARP-1-Mikrogliazellen zurückzuführen sein. Zwar stellt eine transiente anti-sense-PARP-1-Transfektion von Mikrogliazellen sicher keine brauchbare therapeutische Strategie dar, aber die speziellen Eigenschaften von Mikrogliazellen liefern durchaus ausreichend Ansatzpunkte einer speziell gegen die mikrogliale PARP-1 gerichteten Therapie.


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Neueste PARP-Inhibitoren mit einem Ki weit im nanomolaren Bereich, z.B. 2-(4-hydroxyphenyl)-[1H]-benzimidazol-4-carboxamid (NU1085) mit einem Ki von 1,6 nM, bieten nun die Möglichkeit, die Probleme der PARP-Inhibitoren der ersten Generation, wie z.B. die schlechte Löslichkeit, die geringe inhibitorische Potenz mit einem Ki im millimolaren Bereich, die geringe Spezifität und die Interferenz mit anderen ADP-Ribosylierungs-Reaktionen (Zhang et al., 2000), zu überwinden. Verbindet man diese hochpotenten Inhibitoren beispielweise mit eine Vehikel, der nur von phagozytierenden und damit aktivierten Mikrogliazellen aufgenommen wird, wäre der Weg zu einer hochspezischen Hemmung der PARP-1 in aktivierten Mikrogliazellen denkbar. Sollten die hier für Mikrogliazellen beschriebenen Mechanismen auch für die Makrophagen der Körperperipherie zutreffen, und auch hier die PARP-1 entscheidend an der Regulation der Migration zum Ort der Gewebeschädigung beteiligt sein, worauf es zumindest einige Hinweise gibt (Jijon et al., 2000; Liaudet et al., 2000; Burkart et al., 1993; Oliver et al., 1999), dann könnte die spezifische mikrogliale/makrophagiale PARP-1-Hemmung zur Entwicklung neuer hochpotenter antiinflammatorischer Medikamente führen.

In jedem Falle aber wird zutreffen, was Alexander Bürkle so treffend in seinem neusten Review zur PARP-Forschung beschrieben hat (Bürkle, 2001): "These and many questions will undouptedly provide sufficient challenge to keep poly(ADP-ribose) researchers excited and busy for quite some more time."


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Thu Nov 7 16:02:32 2002