IMMUNOLOGISCHE WIRKUNG VON AMINOSÄUREN

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1 1 IMMUNOLOGISCHE WIRKUNG VON AMINOSÄUREN Erich Roth Chirurgische Forschungslaboratorien, Universitätsklinik für Chirurgie/AKH Wien Korrespondenz: Prof. Dr.E.Roth Chirurgische Universitätsklinik/AKH Forschungslaboratorien Währinger Gürtel WIEN Tel: FAX:

2 2 Neue Forschungsergebnisse lassen erkennen, daß viele Nahrungsbestandteile neben ihrer Aufgabe, die Energie- und Stickstoff(Protein)homöostase des Körpers sicherzustellen, eine Rolle als Zellmediatoren haben. In dieser Funktion wirken Nahrungsbestandteile immunregulierend, haben einen Einfluß auf das Kreislaufsystem und beeinflussen Zellproliferation und Zelltod über eine Änderung der Signaltransduktion. Diese Erkenntnisse lassen die Substratzufuhr im Bereich der klinischen Ernährung in einem neuen Licht erscheinen, machen aber auch den Weg für neue Produkte am Lebensmittelsektor frei, wo Nahrungsbestandteilen neue physiologische Funktionen (functional food) zugeschrieben werden. Eine zellmodulierende Wirkung wurde bis jetzt für die Aminosäuren Glutamin, Arginin, Glyzin, Cystein, Taurin, Tryptophan sowie für die verzweigtkettigen Aminosäuren (Valin, Leuzin, Isoleuzin) postuliert. Im amerikanischen Sprachgebrauch werden diese Aminosäuren auch als key-nutrients bezeichnet. Im folgenden sollen zellregulative Eigenschaften dieser Aminosäuren dargestellt werden. Arginin Die erste Aminosäure, die als immunregulierend beschrieben wurde, ist die Aminosäure Arginin. Arginin ist ein wichtiges Zwischenprodukt des Harnstoffzyklus, es ist an der Synthese der Polyamine beteiligt, die wiederum bei der Zellteilung, der DNA Synthese, der Regulation des Zellzyklus und somit auch bei der Lymphozytenproliferation eine Rolle spielen. Die Gabe von Arginin erhöht das Thymusgewicht, die Lymphozytenzahl und - proliferation, die zytolytische Kapazität von Makrophagen und NK-Zellen und die Bildung von Interleukin-1 in Lymphozyten. Da Arginin außerdem der wichtigste endogene Ausgangsmetabolit für das Stickoxid (NO) ist und dieses eine Reihe von regulatorischen Fähigkeiten hat, ist verständlich, daß eine Arginingabe sowohl immunmodulierende Eigenschaft als auch hämodynamische Wirkungen entfaltet Glutamin Glutamin ist die am häufigsten vorkommende freie Aminosäure des Körpers. Im Postaggressionszustand ist der Glutamintransport vom Skelettmuskel zum Splanchnikus und zu den Blutzellen vermehrt, wobei gleichzeitig die intrazellulären Glutaminkonzentrationen im Skelettmuskel drastisch absinken. Glutamin hat eine Reihe von Mediatorfunktionen. Es ist ein essentielles Substrat für die Proliferation aller Zellen in Zellkultur und eine wichtige Vorstufe für die Bildung von Purinen, Pyrimidinen und Phospholipiden. Ein Glutaminmangel verringert die Proliferation von Lymphozyten nach Mitogenstimulation durch eine Blockierung des Zellzyklus in der G o -G 1 Phase. Außerdem verhindert ein Glutaminmangel 2

3 3 die späte Lymphozytenaktivierung. Bei Monozyten bewirkt ein Glutaminmangel eine Minderexpression verschiedener Oberflächenmarker und beeinträchtigt die Antigenpräsentation sowie die Phagozytosekapazität. Darüber hinaus ist Glutamin eine wichtige Vorstufe für die Synthese von Glutathion und stimuliert die Bildung von heat-shock Proteinen, möglicherweise über eine Regulation des Zellvolumens. Glyzin Glyzin ist eine nicht-essentielle Aminosäure und Bestandteil vieler parenteraler Ernährungslösungen. Die in letzter Zeit durchgeführten experimentellen Untersuchungen ergaben, daß Glyzin zellprotektive sowie antiinflammatorische und antineoplastische Eigenschaften hat. Glyzin hält während einer Hypoxie die Integrität der Zellmembranen aufrecht und verringert dadurch die Freisetzung von intrazellulären Enzymen. Es bewirkt die Hemmung von Kalzium-abhängigen, nichtlysosomalen Proteasen und schützt über einen Glyzin abhängigen Chlorid-Kanal vor Leber- und Lungenschädigungen. Nach LPS-Gabe in einem Rattenmodell konnte durch Glyzin die Mortalität gesenkt werden. Glyzin reduzierte durch Absenken des zytosolischen Kalziumspiegel die Synthese und Freisetzung inflammatorischer Zytokine und Eicosanoide in den Kupfferzellen der Leber. Cystein Cystein wird in der Leber aus Methionin gebildet und kann durch Kondensation zweier Moleküle zu Cystin oxidiert werden. Eine Cysteinzufuhr beeinflußt die Glutathionsynthese. Eine Bedeutung für die Cysteinaufnahme der Makrophagen scheint im extrazellulären Verhältnis von Glutamin zu Cystein zu liegen, da beide Aminosäuren dasselbe Transportsystem verwenden. Taurin Die Aminosäure Taurin wirkt immunstimulierend. Der wichtigste Wirkungsmechanismus scheint hier ein Schutz gegen Sauerstoffradikale zu sein, wobei durch Taurin eine Stabilisierung der Zellmembran erreicht wird. AMINOSÄUREN EINFLUSS AUF DEN RADIKALMETABOLISMUS UND DAS ZELLULÄRE REDOXPOTENTIAL 3

4 4 Wenn man das Wirkungsspektrum der Aminosäuren in Bezug auf nicht nutritive Effekte vergleicht, so fällt auf, daß viele der zellmodulierenden Effekte auf eine Interaktion mit dem Sauerstoffradikalmetabolismus abzielen. Aus diesem Grund sei im folgenden dieser Aspekt näher beleuchtet. Die erhöhte Produktion von Sauerstoffradikalen und deren Metaboliten (H 2 O 2, O.- 2,. OH, ROO. ) wirkt aufgrund von deren aggressiven Oxidationsverhalten zelltoxisch. Durch erhöhte Lipidperoxidation an Membranen oder durch gesteigerte Oxidation an Membranproteinen und Enzymen kommt es zu einer gestörten Membranpermeabilität, die vom Funktionsverlust der Zelle bis hin zum Zelltod führen kann. Antioxidantien schützen vor oxidativen Eingriffen und verhindern somit Sauerstoffradikal-induzierte Zellschäden. Unter physiologischen Bedingungen stehen Oxidantien und Antioxidantien in einem homöostatischen Gleichgewicht. Ist die Balance aufgrund der gesteigerten Sauerstoffradikalbildung zugunsten der Oxidantien hin verschoben, spricht man von oxidativem Stress. Seit geraumer Zeit wird den reaktiven Sauerstoffmetaboliten als second messengers in der Signaltransduktion wachsende Aufmerksamkeit gewidmet. Dabei scheinen diese Metaboliten einen modulierenden Einfluss auf die Transkription von Genen zu haben, deren Produkte bei der Immunantwort, Proliferation und Differenzierung von Zellen als Reaktion pathologischer Veränderungen eine wichtige Rolle spielen. Der nukleäre Transkriptionsfaktor kappa B (NF-κB) ist ein Heterodimer, bestehend aus den Proteinuntereinheiten p50 und p65. Im inaktiven Zustand liegt NF-κB gebunden an seinem inhibierenden Proteinkomplex I-κB im Cytosol vor. Zur Aktivierung von NF-κB wird I-κB vom p50/p65 Komplex proteolytisch durch das 26-S Proteasom abgebaut und NF-κB freigesetzt. Anschließend gelangt NF-κB in den Zellkern, wo es an die DNA bindet und die Transkription aktiviert. Auf diese Weise werden Gene exprimiert, welche für die Bildung von proinflammatorischen Zytokinen (TNF-α, Interleukine), induzierbare Stickstoffmonoxidsynthase (inos) und Adhäsionsmoleküle kodieren. Versuche an Zellinien haben gezeigt, daß Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) und Lipidperoxide (LOOH) NF-κB aktivierten. Im Gegensatz dazu blockierten Substanzen, welche die Bildung bzw. Reaktion dieser prooxidativen Substanzen verhindern (Antioxidantien wie Katalase, Vitamin E, N-Acetylcystein, Glutathion ), die NF-κB Aktivierung. Da während der Inflammation eine erhöhte Sauerstoffradikalproduktion auftritt (NADPH-oxidase, Myeloperoxidase), könnte der gezielte Einsatz von Substanzen (Drug Targeting), welche die Zelle vor oxidativen Prozessen schützen, einen inhibierenden Effekt auf die Produktion von proinflammatorischen Substanzen haben. 4

5 5 In diesem Zusammenhang kommt den Antioxidantien eine antiinflammatorische Eigenschaft zu. Der Mechanismus, der dahinter steckt, ist noch nicht erforscht. Versuchsmodelle weisen eher darauf hin, daß es unter oxidativem Stress zur Aktivierung von redox-sensitiven Proteinkinasen kommt, die I-κB phosphorylieren und Signalinduktion auf das 26S-Proteasom haben. Ob die Antioxidantien direkten Einfluss auf die I-κB Phosporylierung haben, oder ob sie durch das Abfangen von reaktiven Sauerstoffmetaboliten den oxidativen Stress verhindern und damit die redox-sensitven Proteinkinasen blockieren, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Auf jeden Fall eröffnet die Steuerung der Signaltransduktion hinsichtlich NF-κB- Aktivierung durch gezielten Einsatz von Antioxidantien (Vitamin E, C, N-Acetylcystein, Glutathion) und Aminosäuren (z.b.: Glutamin, Glyzin und Cystein, als Bausteine für Glutathionbiosynthese) neue Perspektiven in deren Anwendungspektrum. Aminosäuren, Fettsäuremetabolite, aber auch Zwischenprodukte des Glucosestoffwechsels sind im Radikalmetabolismus wesentlich involviert. Arginin fungiert nicht nur als Substrat für Stickstoffmonoxid (NO), es verhindert auch die Generierung von Superoxidradikalen (O.- 2 ) mittels konstitutiver NO-Synthase. Für Taurin ist eine Radikalscavengerfunktion beschrieben, und Pyruvat, ein Metabolit des Glucosestoffwechsels, reagiert mit H 2 O 2 und schützt so vor oxidativen Schädigungen. Als Bausteine für die Glutathionbiosynthese (GSH) spielen die Aminosäuren Glutamin, Glyzin und Cystein eine wichtige Rolle. GSH ist seit langem in seiner Funktion als Antioxidans (Eliminierung von H 2 O 2 und Lipidperoxiden) bekannt. Mit dem zellulären Glutathionmetabolismus werden aber noch eine Reihe von anderen Zellaktivitäten in Verbindung gebracht: Stimulierung der Zellproliferation; Einfluss auf die Aktivität des Ubiquitin-Proteasomen -Stoffwechselweges und Veränderung des Apoptoseverhaltens der Zellen. Ausserdem beeinflusst das intrazelluläre Verhältnis von reduziertem zu oxidiertem Glutathion (GSH/GSSG) den Redoxzustand der Zelle, welcher bei der Redox-Regulation von NF-κB eine wesentliche Rolle spielt. Ein erniedrigter intrazellulärer GSH-Spiegel führt zur Aktivierung von NF-κB während ein hoher Glutathion- Spiegel die NF-κB-Aktivierung blockiert. Tierexperimentelle Studien haben ergeben, daß die Zufuhr von Glutamin (Glutamindipeptiden) die Lebertoxizität des 5-FU über eine Anhebung des hepatischen Glutathionspiegels verringert. Eigene Untersuchungen zeigten, daß eine enterale Glutaminzufuhr den GSH-Spiegel der Darmmucosa und der Milz signifikant anhebt. GSH scheint auch ganz wesentlich das Apoptoseverhalten der Zellen zu beeinflussen. Ein erhöhter GSH-Spiegel korreliert mit einer erhöhten Konzentration an intrazellulärem bcl-2, einem antiapoptotisch wirksamen Protein. Ausserdem spielt der GSH -Gehalt bei der Karzinogenese, 5

6 6 der Angiogenese von Tumorzellen und als Mutationsschutz des Repairenzyms p53 eine wichtige Rolle. 6

7 7 REFERENZEN 1. Frayn, KN. Metabolic regulation and human perspective. Portland Press. London; Bilzer M, Lauterburg BH. Glutathione metabolism in activated human neutrophils: stimulation of glutathione synthesis and consumption of glutathione by reactive oxygen species. Eur J Clin Invest 1991;21: Calder PC. Glutamine and the immune system. Clin Nutr 1994;13: Dröge W, Kinscherf R, Mihm S, Galter D, Roth S, Gmünder H et al. Thiols and the immune system. Effect of N-acetylcysteine on T cell system in human subjects. Methods Enzymol 1995;251: Hall JC. Glycine. JPEN 1998;22: Meyer M, Schreck R and Baeuerle PA. H 2 O 2 and antioxidants have opposite effects on activation of NF-κB and AP-1 in intact cells: AP-1 as secondary antioxidant-responsive factor. The EMBO Journal 1993;12: Razenberger M, Spittler A, Roth E. Zytoprotektive und immunomodulierende Eigenschaften von Glyzin. Akt Ernähr Med 1998;23: Roth E, Spittler A, Oehler R. Glutamin: Wirkungen auf das Immunsystem, auf Eiweißhaushalt und Darmfunktionen. Wien Klin Wochenschr 1996;108/21: Roth E, Manhart N, Punz A. Antioxidative Abwehrmechanismen während systemischer Inflammation. Intensivmed 1998;35: Spittler A, Manhart N, Roth E. Immunologie und Ernährung (Immunonutrition). In: Biesalski HK, Fürst P, Kasper H, Kluthe R, Pölert W, Puchstein C, Stähelin HB, editors. Ernährungsmedizin. 2nd ed. Stuttgart-New York: Georg Thieme Verlag; p Spittler A, Reissner CM, Oehler R, Gornikiewicz A, Grünberger T, Manhart N, Roth E. Immunomodulatory effects of glycine on LPS-treated monocytes: reduced TNF-α production and accelerated IL-10 expression. FASEB J 1999;13: Shaw JP, Chou IN. Elevation of intracellular glutathione content associated with mitogenic stimulation of quiescent fibroblasts. J Cell Physiol 1987; 129:

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