• Sie sind hier:

• Startseite
• Forschung
• Klinische Forschung
• Forschung Anästhesiologie
• Molekulare Mechanismen der hypoxieinduzierten Ödembildung

Molekulare Mechanismen der hypoxieinduzierten Ödembildung

In den vorangegangen Studien konnten wir zeigen, dass VEGF für hypoxiebedingte Permeabilitätsänderungen verantwortlich ist und eine entscheidene Rolle bei der Entstehung des vasogenen Gehirnödems spielen könnte. Es stellte sich dann die Frage, ob die Hemmung der VEGF-Aktivität als therapeutische Strategie zur Behandlung von Ödemen auch bei Patienten in der Klinik angewendet werden kann. VEGF erfüllt nämlich wichtige Funktionen im ZNS, welche eine Hemmung seiner Aktivität nicht sinnvoll erscheinen lassen. So ist VEGF ein entscheidender Faktor für die Bildung neuer Blutgefässe (Angiogenese) und man nimmt an, dass die erhöhten VEGF-Spiegel, welche unter hypoxischen Bedingungen auftreten, durch Bildung neuer Gefässe zu einer verbesserten Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen führen. Ausserdem belegen jüngste Befunde, dass VEGF im ZNS zusätzlich als neuroprotektiver Faktor wirkt, und also Nervenzellen vor dem Absterben schützen kann.

Unser Ziel war deshalb, Strategien zu finden, wie die VEGF-induzierte Ödembildung gehemmt werden kann, ohne die angiogene und neuroprotektive Funkton von VEGF auszuschalten. Dazu wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die zu den beobachteten Permeabilitätsveränderungen führen.

Parazelluläre Permeabilitätsveränderungen werden durch die sogenannnten Tight Junctions, die die einzelnen Endothelzellen miteinander verbinden und für die hohen Widerstandswerte des Gehirnendothels verantwortlich sind, reguliert. "Tight Junctions" setzten sich aus verschiedenen Proteinen zusammen, von denen in unseren Studien die Lokalisierung und Expression des Occludins, sowie die des Zonula Occludens 1- und 2 (ZO-1, ZO-2) untersucht wurden.

Tight Junctions und Adherens Junctions zwischen Gehirnendothelzellen

Immunhistochemische Versuche zeigten, dass Occludin, ZO-2 und ZO-1 unter normoxischen Bedingungen an der Membran lokalisiert sind. Hypoxie bewirkte eine diffuse und diskontinuierliche Lokalisierung der Proteine, wobei die Expression des ZO-1 und ZO-2 auch teilweise im Cytoplasma zunahm. Diese Veränderungen konnten durch Zugabe eines Antikörpers gegen VEGF verhindert werden, was bedeutet, dass diese Veränderungen der Lokalisierung der TJ Proteine, ebenso wie die Hypoxie-bedingten Permeabilitätsveränderungen durch VEGF verursacht wurden.

Wirkung von 24stündiger Hypoxie auf die Lokalisierung der TJ Proteine Occludin, ZO-2 und ZO-1

Da ZO-1 direkt mit dem Aktingerüst der Zelle verbunden ist, wurde weiterhin die Lokalisierung des F-Aktins, einem zytoskeletalen Protein, untersucht. Unter normoxischen Bedingungen ist F-Aktin mehr an der Zellmembran lokalisiert. Unter hypoxischen Bedingungen sind nur leichte Veränderungen erkennbar. Auch der F-Aktingehalt wurde durch Hypoxie nicht signifikant verändert. Demzufolge scheinen Veränderungen am F-Aktin Gerüst der Zellen keine bedeutende Rolle bei Hypoxie-bedingten Permeabiliätsveränderungen zu spielen.

Durch Bestimmung der Proteinexpression der TJ Proteine in verschiedenen Zellfraktionen konnten die immunhistochemischen Ergebnisse bestätigt werden. Es zeigte sich, dass die totale Proteinmenge der untersuchten Protein unverändert war. Die Expression des Occludin, ein Transmembranprotein, blieb in allen Zellfranktionen unverändert während die Expression des ZO-1 und ZO-2 in der Membranfraktion abnahm, im Cytoplasma und auch im Kern zunahm.

Western Blots zur Bestimmung der Proteinexpression von Occludin, ZO-2 und ZO-1 in unterschiedlichen Zellfraktionen nach 24 stündiger Normoxie (N) und 24 stündiger Hypoxie (H). A = Membranfraktion; B = totales Zelllysat; C = Cytoplasma; D = Kernfraktion

Zusammenfassend können wir anhand der vorausgegangenen Studien sagen, dass VEGF für die hypoxieinduzierten parazellulären Permeabilitätsveränderungen verantwortlich ist und dass an diesen Permeabilitätsveränderungen eine Reorganisation der TJ Proteine, ZO-1 und ZO-2 entscheidend beteiligt ist. Anhand eines in vivo Modells konnte ebenfalls bestätigt werden, dass VEGF über eine Erhöhung der Gefäßpermeabilität entscheidend an der Ausbildung des Ischämie- oder hypoxieinduzierten vasogenen Gehirnödems beteiligt ist [17].

Diese Resultate können von hohem Interesse sein für die zukünftige Behandlung des Hirnödems beim Schlaganfall, Schädel-Hirn-Trauma, Tumorwachstum und auch bei der Höhenkrankheit. Ödembildung könnte verhindert werden, indem das unter hypoxischen Bedingungen gebildete VEGF durch die Verwendung von Antikörpern unwirksam gemacht würde oder indem der Anstieg der VEGF Expression durch Hypoxie verhindert würde. VEGF fungiert aber auch als neuroprotektiver Faktor und schützt Nervenzellen vor dem Absterben. Weiterhin spielt VEGF eine bedeutende Rolle bei der Bildung neuer Blutgefässe (Angiogenese) und man nimmt an, dass die erhöhten VEGF-Spiegel unter hypoxischen Bedingungen über die Bildung neuer Gefässe zu einer verbesserten Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen führen. Deshalb war das Ziel bei den folgenden Untersuchungen nur die permeabiliätserhöhenden Effekte des VEGF zu hemmen. Dazu sind detailliertere Kenntnisse über den Mechanismus nötig, der, über Veränderungen der Tight Junction Organisation, zu diesen parazellulären Permeabilitätsveränderungen führt.

VEGF induziert in Endothelzellen über Rezeptoraktivierung verschiedene Signaltransduktionswege. Durch gezielte Hemmung der unterschiedlichen Reaktionswege konnten wir zeigen, dass Hypoxie und VEGF die Permeabilität über eine Aktivierung der Phospholipase C (PLCg) und des Phosphatidylinositol-3-Kinase/Akt (PI3K/Akt) Signaltransduktionsweges bewirkten 27. Hemmung der entsprechenden Signaltransduktionswege verhinderte auch die hypoxieinduzierte Dislokalisierung der Tight Junction Proteine, ZO-1 und ZO-2.

Signaltransduktionswege, die in Endothelzellen durch VEGF induzierbar sind und zu
Permeabilitätsveränderungen führen. Aktivierung der Phospholipase C (PLCg) (1) und
des Phosphatidylinositol-3-Kinase/Akt (PI3K/Akt) (2) Signaltransduktionsweges
bewirkten in unserem Modell die Permeabilitätsveränderungen.