Endotheldysfunktion und oxidativer Stress

Transkript

1 Endotheldysfunktion und oxidativer Stress Rolle von NO als zentraler Mediator des Endothels Entkopplung der endothelialen NO-Synthase als Mechanismus der Endotheldysfunktion Reaktive Sauerstoffspezies und oxidativer Stress oxidativer Stress, Tetrahydrobiopterin, enos- Entkopplung oxidativer Stress bei Hypertonie oxidativer Stress bei Diabetes

2 Funktionen des Endothels antithrombotisch antiinflammatorisch gesundes Endothel Antikoagulant/ profibrinolytisch Vasodilatativ NO antiproliferativ

3 Endotheldysfunktion prothrombotisch proinflammatorisch Endotheldysfunktion prokoagulant/ antifibrinolytisch vasokonstriktiv NO proliferativ

4 Endotheldysfunktion = verminderte NO-Verfügbarkeit NO zentraler Mediator des Endothels vasodilatierend antiinflammatorisch (Hemmung von Permeabilität und Leukozytenadhäsion) antithrombotisch (Hemmung von Thrombozytenadhäsion und aggregation) antiproliferativ (Hemmung der Proliferation glatter Muskelzellen) Verminderte NO-Bioverfügbarkeit führt zu Endotheldysfunktion gestörte endothelabhängige Vasodilatation = Surrogatmarker für Endotheldysfunktion

5 Endotheldysfunktion ein initiales atherogenes Ereignis Adhäsionsmoleküle VCAM-1 ICAM-1 Monozyt Chemokine MCP-1 Endotheldysfunktion LDL LDL Zytokine Oxidiertes LDL Schaumzelle Makrophage glatte Muskelzellen

6 NO hemmt atherogene Prozesse NO Adhäsionsmoleküle VCAM-1, ICAM-1 Monozyt NO LDL MCP-1 LDL Endothel Zytokine oxidiertes LDL Schaumzelle Makrophage NO glatte Muskelzellen

7 NO hemmt atherogene Prozesse NO-Defizienz in der Gefäßwand führt zu Erhöhung der Permeabilität (Einwanderung von LDL) Verstärkte Expression von Adhäsionsmolekülen und MCP-1 Erhöhte Migration von Monozyten Verstärkte Oxidation von LDL (?) Proliferation glatter Muskelzellen Akkumulation von lipidreichem Material Plättchenaktivierung und Thrombusbildung

8 Die Regulation der endothelialen NO-Synthase GPCR: B2, A1, EB vasoaktive Substanzen (Ca 2+ ) Cav-1 enos Scherkräfte (Phosphorylierung) L-arginine enos P Ser1177 P Thr 497 L-citrulline + NO CaM hsp90 dyn R C NH + 2 NH 2 2e - O 2 H 2 O R C OH NH+ NH 2 e - O 2 H 2 O R C O NH 2 + NO Kofaktoren: NADPH FAD,FMN Tetrahydrobiopterin

9 Die Regulation der endothelialen NO-Synthase NADPH REDUKTASE - DOMÄNE FAD OXYGENASE - DOMÄNEN Cit + NO O 2 O 2 e - Arg Arg - e - e - FMN FMN FAD CBD BH 4 BH 4 CBD Fe e - e - Cit + NO Fe REDUKTASE - DOMÄNE e - e - NADPH e - R C NH + 2 NH 2 2e - O 2 H 2 O R C OH NH+ NH 2 e - O 2 H 2 O R C O NH 2 + NO L-Arginin N G-Hydroxy-L-Arginin L-Citrullin + NO

10 Entkopplung der NO-Synthase NADPH FMNH 2 FMNH O 2 Fe III S Fe II S reaktive Hämspezies BH4 BH4 + NO-Bildung O - 2 -Freisetzung entkoppelte enos gekoppelte enos R C NH + 2 NH 2 2e - O 2 H 2 O R C OH NH+ NH 2 e - O 2 H 2 O R C O NH 2 + NO

11 Oxidativer Stress ein Hauptgrund für die verminderte NO-Bioverfügbarkeit Verminderung der Expression der NO-Synthase? Inaktivierung von NO durch reaktive Sauerstoffradikale Verminderung der Aktivierung der NO-Synthase / Entkopplung: Substratverfügbarkeit (Arginin) Kofaktorverfügbarkeit (Tetrahydrobiopterin)

12 Oxidativer Stress Oxidativer Stress beruht auf einem Ungleichgewicht zwischen Oxidantien und Antioxidantien H 2 O 2, O 2-, OH, HOCl, ONOO -, NO metallbindende Proteine antioxidative Enzyme niedrigmolekulare Antioxidantien (Askorbinsäure, α-tocopherol, Glutathion)

13 Oxidantien im Gefäßsystem ein-elektronen-oxidantien/ freie Radikale Superoxidanion (O 2 - ) Hydroxylradikal (OH ) Stickstoffmonoxid (NO ) sekundäre freie Radikale Alkylperoxylradikal (ROO ) Lipidhydroperoxide (ROOH) zwei-elektronen-oxidantien Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) Hypochlorige Säure (HOCl) Quelle Atmungskette/Mitochondrien NAD(P)H-Oxidase (Phagozyten; vaskuläre Zellen) Xanthinoxidase entkoppelte NO-Synthase Lipoxygenase/Cyclooxygenase Fenton-Reaktion energiereiche Strahlung NO-Synthase Lipidperoxidationen Superoxiddismutase Myeloperoxidase Peroxynitrit (ONNO - ) Reaktion zwischen NO und O 2 -

14 Funktionen von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) im Stoffwechsel oxidative Phosphorylierung/Atmungskette Wachstumsregulation Überleben/ Apoptose Proteinfaltung Proteinabbau Auslösen adaptiver Antworten (Hochregulation antioxidativer Enzyme, Heatshock-Proteine)

15 Alle Ding' sind Gift und nichts ohn' Gift; allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist." Paracelsus ( )

16 Reaktive Sauerstoffspezies und Erkrankungen Stoffwechsel Atmungskette/Mitochondrien oxidative Enzyme respiratory burst von Leukozyten, Umweltschäden Ultraviolettes Licht Zigaretten Umweltgifte ROS niedrig intermittierend hoch Proliferation Wachstumshemmung Seneszens Zelltod Apoptose Nekrose

17 Antioxidative Systeme der Gefäßwand Enzyme (Umwandlung von ROS) Superoxiddismutase Katalase Glutathionperoxidase Glutathionreduktase Thiol-Disulfid-Oxidoreduktasen Peroxiredoxins Metallchelatoren (Entfernung katalytischer Metallionen) Ferritin Transferrin Coeruloplasmin Niedrigmolekulare Antioxidantien (Reaktion mit ROS ROS Scavenging) wasserlöslich Glutathion Vitamin C (Askorbinsäure) Harnsäure Bilirubin α-liponsäure Polyphenole lipidlöslich Vitamin E (α-tocopherol) Ubiquinol Carotenoide Polyphenole

18 Oxidativer Stress unkontrollierte Aktivierung von ROS- Signalwegen Verschiebung im Redoxzustand der Zelle ( GSH) direkte Schädigung von Makromolekülen DNA Protein Lipide Strangbrüche Chemische Modifizierung (Oxidation von Guanin) Carbonylgruppen SH-Modifizierung Lipidperoxidationen

19 Superoxidbildung im Gefäßsystem ein sich selbst verstärkendes System enos-entkopplung Oxidative Phosphorylierung Mitochondrien O 2 - Xanthin-Dehydrogenase Umwandlung Xanthin-Oxidase NADPH-Oxidase

20 Bildung reaktiver Spezies aus Superoxid O 2 +e - O NO Superoxidanion ONNO - Peroxynitrit +e - + 2H + +Cl H 2 O - 2 MPO Wasserstoffperoxid HOCl Hypochlorige Säure Fenton-Reaktion +e - +Fe ++ OH ROO Hydroxylradikal +RH R + H 2 O Peroxylradikal O Fe(III) Fe(II) + O 2 Fe(II) + H 2 O 2 OH +OH + Fe(II)

21 Oxidativer Stress ein Hauptgrund für die verminderte NO-Bioverfügbarkeit oxidativer Stress (vor allem ONOO - ) führt zu: irreversibler Oxidation von Tetrahydrobiopterin Tetrahydrobiopterin-Mangel Entkopplung der NO-Synthase

22 Oxidativer Stress und Tetrahydrobiopterin GTP-Cyclohydrolase I GTP 6-Pyruvoyl-Tetrahydropterin-Synthase Sepiapterinreduktase nicht-enzymatische oder enzymatische Oxidation nicht-enzymatische Umlagerung (irreversibel) nicht-enzymatische Oxidation 7,8-Dihydroneopterin-3 -triphosphat 6-Pyruvoyl-Tetrahydropterin 5,6,7,8-Tetrahydrobiopterin Trihydrobiopterinradikal chinoides 6,7-[8H]-Dihydrobiopterin 7,8-Dihydrobiopterin Biopterin ONOO - Dihydropteridin- Reduktase Askorbat

23 NO-Synthase und oxidativer Stress I L-Arginin L-Citrullin O 2 - O 2 enos BH4 ONOO - NO biologische Effekte Oxidasen O 2 gesundes Endothel Tetrahydrobiopterin ist nicht limitierend NO-Bildung den Bedürfnissen angepasst Superoxid als Signalmolekül minimale Peroxynitritbildung

24 NO-Synthase und und oxidativer Stress II L-Arginin L-Citrullin O 2 O 2 - enos BH4 ONOO - NO biologische Effekte O 2 Oxidasen Hypertonie Diabetes Hypercholesterolämie Vaskuläre Erkrankungen Superoxidbildung aus verschiedenen Quellen erhöht Verstärkte Inaktivierung von NO durch Superoxid

25 NO-Synthase und oxidativer Stress III BH2 BH3 L-Arginin O 2 O 2 - enos BH4 ONOO - NO biologische Effekte Askorbat L-Citrullin BH4 enos entkoppelt O 2 O 2 Oxidasen Hypertonie Diabetes Hypercholesterolämie Fortgeschrittene vaskuläre Erkrankungen Verstärkte Bildung von Peroxynitrit Oxidation von Tetrahydrobiopterin enos-entkopplung / Superoxid Bildung durch enos Askorbat schützt Tetrahydrobiopterin vor irreversibler Oxidation

26 Risikofaktoren der Atherosklerose Hypertonie Rauchen Diabetes mellitus Hyperlipoproteinämie Adipositas Hyperhomocysteinämie Infektionen Oxidativer Stress? enos-entkopplung?

27 Hypertonie und oxidativer Stress Hämodynamische Faktoren (Scherkräfte) Genetische Faktoren (Polymorphismen*) Humorale Faktoren (ATII, PDGF,TNF-α) Aktivierung der vaskulären NADPH-Oxidase NADPH NADP + + H + e - O 2 O 2 - O 2 - *Polymorphismen von p22phox in spontan hypertensiven Ratten

28 Vaskuläre NADPH-Oxidase Bestandteile: Membranständig: Flavocytochrom b558 Heterodimer aus Nox (1,2,4 oder 5) und p22 phox zytosolisch: p47 phox, p67 phox Rac Aktivierung: Phosphorylierung von p47phox Rac-Aktivierung (Nukleotidaustausch) Komplexbildung der zytoplasmatischen Untereinheiten Translokation des zytoplasmatischen Komplexes zur Membran Assoziation mit Cytochrom b588 Elektronentransfer von NADPH auf O 2 = ein-elektronen Reduktion von O 2

29 Vaskuläre NADPH-Oxidase basale Aktivität Induzierbarkeit Homologe Kinetik O - 2 -Freisetzung O - 2 -Konzentration Ort O - 2 -Freisetzung Substrat konstitutiv aktiv vasoaktive Mediatoren, Wachstumsfaktoren, Zytokine, physikalische Faktoren Nox1, Nox2, Nox4, Nox5 langsam und anhaltend niedrig intrazellulär NADPH/NADH G-Protein Rac 1 Nox NADPH-Oxidase

30 Aktivierung der NADPH-Oxidase durch Angiotensin II

31 Angiotensin-stimulierte NADPH-Oxidase führt zu Hypertonie und Atherosklerose in vivo Tiermodell Angiotensin-induzierte Hypertonie: erhöhte NADPH-Oxidase-Aktivität und vaskuläre O - 2 -Freisetzung membranpermeable Superoxiddismutase verringert Blutdruck hypertensive Reaktion auf Angiotensin II in p47 phox knockout-mäusen gering Tiermodelle experimentelle Atherosklerose: erhöhte Angiotensin II-Spiegel erhöhte NADPH-Oxidase-Aktivität und vaskuläre O - 2 -Freisetzung Blockade von AT1-Rezeptoren verhindern NADPH-Oxidase-Aktivierung ApoE und p47 phox Doppelknockout-Mäuse entwickeln keine Atherosklerose

32 Erhöhter oxidativer Stress bei Hypertonie-Patienten erhöhte Biomarker von Lipid-Peroxidationen (TBARS, F2-Isoprostane) erhöhte Biomarker von DNA-Oxidation (8-Oxo-Guanin) erniedrigte Spiegel von antioxidativen Enzymen (SOD, Catalase) erniedrigte Spiegel von Radikalfängern (Vitamin E, Glutathion) Wirksamkeit von ACE-Hemmern und AT1-Rezeptor-Antagonisten Polymorphismen von p22 phox mit erhöhtem Hypertonie-Risiko

33 Diabetes und oxidativer Stress Metabolisierung von Glukose in nicht-insulinabhängigen vaskulären Zellen führt zur Aktivierung ROS-bildender Stoffwechselwege AGEs Robertson, R. P. J. Biol. Chem. 2004;279:

34 Diabetes und oxidativer Stress Metabolisierung von Glukose in nicht-insulinabhängigen vaskulären Zellen führt zur Aktivierung ROS-bildender Stoffwechselwege 1 Autoxidation von Glycerinaldehyd-3-Phosphat zu α-ketoaldehyd und H 2 O 2 2 de-novo-synthese von Diacylglycerol aus Dihydroxyaceton ( PKC-Aktivierung NADPH-Oxidase-Aktivierung) 3 Glykosylierungsreaktionen durch reaktive Dicarbonyle (Methylglyoxal), Bildung von Advanced Glycosylation Endproducts (AGEs) 4 Bildung von Sorbitol im Polyol-Pathway (Erhöhung der NADH/NAD-Ratio, Hemmung der GAPDH, weiterer Anstau und unphysiologische Metabolisierung von Glycerinaldehyd-3-Phosphat) 5 Hexosamin-Pathway: Bildung von Glukosamin-6-Phosphat und nachfolgend UDP- N-acetylglucosamine aus Fruktose-6-Phosphat, weiterhin Bildung O-linked glycoproteins, Beziehung zur Transkription vontgf-a, TGF-ß1 und PAI-1 6 Überproduktion von Elektronendonoren im Citratzyklus, Entkopplung des Elektronentransfer von der oxidativen Phosphorylierung

35 Diabetes und Polyol-Pathway Fruktose Sorbitoldehydrogenase Sorbitol Aldosereduktase Glukose NADH NAD + NADP + NADPH GSH GSSG Glukose-6-Phosphat Fruktose-6-Phosphat Glycerinaldehyd-3-Phosphat 1,3-Diphosphoglycerat

36 Oxidative Phosphorylierung/Atmungskette H + H + H + H + H + I III II e - e - e - IV V O 2 FADH2 NADH O 2 - H + ADP + Pi ATP H 2 O Komplex I: NADH : Ubichinon Oxidoreduktase Komplex II: Succinat : Ubichinon Oxidoreduktase Komplex III : Ubihydrochinon : Cytochrom c Oxidoreduktase Komplex IV: Cytochrom c : O2 - Oxidoreduktase (Cytochrom-C-Oxidase) Komplex V: FoF1-ATP-Synthase

37 Entkopplung der Atmungskette bei diabetischer Stoffwechselsituation H + H + H + H + H + II III IV V I e - e - O 2 FADH2 NADH O 2 - H 2 O H + ADP + Pi ATP Entkopplung von Elektronentransfer und oxidativer Phosphorylierung: Erhöhter Durchsatz von Elektronen Erhöhung des Protonengradienten Hemmung Elektronentransfer am Komplex III (geschwindigkeitsbestimmend) Verstärkung der O 2 - -Bildung

38 Erhöhter oxidativer Stress bei Diabetikern erhöhte Biomarker von Lipid-Peroxidationen (TBARS, F2-Isoprostane, oxidierte LDL) erhöhte Biomarker von DNA-Oxidation (8-Oxo-Guanin) oxidativ modifizierte Proteine (Carbonylverbindungen) erniedrigte Spiegel von antioxidativen Enzymen (SOD, Catalase) erniedrigte Spiegel von Radikalfängern (Vitamin E, Glutathion)

39 Können Antioxidantien Endotheldysfunktion verhindern oder verlangsamen?

40 Antioxidative Vitamine and kardiovaskuläre Erkrankungen Negative Korrelation der Plasmaspiegel von Vitamin C und E mit der Mortalität an kardiovaskulären Erkrankungen 6 große prospektive Beobachtungsstudien ( Teilnehmer) demonstrieren vasoprotektive Effekte für Vitamin E (4 Studien) oder Vitamin C (2 Studien) Große Interventionsstudien ( Teilnehmer) zeigten keine protektiven Effekte von Antioxidans-Supplentierung auf kardiovaskuläre Morbidität oder Mortalität (*Health Professionals Follow-up Study, Nurses Health Study, Social Insurance Institution of Finland, Iowa Women s Health Study,Scottish Heart Health Study, Rotterdam Study)

41 Zukünftige antioxidative Strategien Charakterisierung der Oxidantien, die spezifisch in die Pathogenese vaskulärer Veränderungen einbezogen sind vermutlich sind zwei-elektronen-oxidantien (H 2 O 2, HOCl, ONOO - ) von grösserer Bedeutung als bisher angenommen! Vitamin E schützt nicht vor zwei-elektronen-oxidantien Beurteilung des oxidativen Status eines Patienten mittels sensitiver und spezifischer Biomarker Redoxstatus in bisherigen Studienpopulationen nicht charakterisiert Selektion und Monitoring der Patienten essentiell

42 Zukünftige antioxidative Strategien II Ziel: Hemmung der krankheitsbezogenen ROS-Bildung bei Aufrechterhaltung der physiologischen ROS-Signaling-Funktionen Frage der Dosierung/Dosis-Wirkungsbeziehungen! Definition des relevanten Krankeitsstadiums! Oxidativer Stress als Folge von Entzündungen? Subzelluläres Targeting von Antioxidantien Hemmung der ROS-Bildung am Ort der Entstehung! Beispiel: Mitochondrien-spezifische Antioxidantien Einsatz von Antioxidans-Kombinationen und Kombination von antioxidativen und antiinflammatorischen Therapien

43 Schonen Sie Ihr Endothel! gesund dysfunktionell