Oxidativer Stress

Oxidativer Stress wird definiert als die Störung des Gleichgewichtes zwischen Prooxidantien und Antioxidantien zugunsten der Prooxidantien. Diese vermehrt gebildeten reaktiven Sauerstoffverbindungen sind Hauptursache für das Altern. Außerdem stehen zahlreiche radikal-assoziierte Symptome und Krankheiten wie z. B. Ischämie, Schock, Reperfusionschaden, Atherosklerose, Asthma bronchiale, Athrose (Gelenkentzündungen, Rheuma), Katarakt, Neurodegenerative Erkrankungen des ZNS im Zusammenhang mit oxidativen Stress. Am KIMCL werden einige oxidative Stressparameter z. B. oxLDL, Myeloperoxidase (MPO), Malondialdehyd (MDA) und 4-Hydroxynonenal (HNE) bei den unterschiedlichsten Fragestellungen, vor allem auf dem Gebiet der kardiovaskulären Forschung, untersucht.

I. Oxidantien

1.1: Aldehyde der Lipidperoxidation (MDA/HNE)

Durch den Angriff von reaktiven Sauerstoffverbindungen (ROS) auf mehrfach ungesättigte Fettsäuren gehen im Rahmen der Lipidperoxidation Aldehyde als Endprodukte hervor. Der Hauptreaktionsweg dieser Lipidperoxidation ist eine ß-Spaltung der Fettsäuremoleküle. Neben der ß-Spaltung gibt es weitere Reaktionswege der Lipidperoxidation, welche mit der Vielzahl mehrfach ungesättigter Fettsäuren in den Biomembranen und sekundären Reaktionsprodukten zu einem komplexen Gemisch reaktiver Metaboliten führen. Bei einem Großteil dieser Produkte handelt es sich um Fettsäuren, die sowohl gesättigt als auch ungesättigt sein können [Esterbauer, 1982]. Malondialdehyd (MDA) ist quantitativ neben 4-Hydroxy-2-nonenal (HNE) das wichtigste "stabile" Endprodukt der Oxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren.

1.2: Ischämie/ Reperfusion:

Ischämie/Reperfusion einzelner oder mehrerer Organsysteme ist ein bei Intensivpatienten häufig auftretendes Ereignis und kann nach (Organ) Minderperfusion im Rahmen eines systemischen inflammatorischen Response-Syndrom (SIRS) und Sepsis, bei koronarer Herzerkrankung durch Minderdurchblutung des Herzmuskels, bei Schlaganfall, bei Schockzuständen oder nach Organtransplantationen sowie Reperfusions-Schäden (wie z.B. Extremitäten-Revaskularisation, Karotis Rekonstruktion ) auftreten. Die Messung des Ausmaßes von Reperfusionsschäden anhand verschiedener Parameter wurde ebenso untersucht wie Einflüsse durch eine Supplementation mit Antioxidantien  in Form von Vitaminen. Wie unsere Untersuchungen zeigen, führen I/R-Vorgänge zu einer zeitlich begrenzten Freisetzung von Lipidperoxidations-produkten (MDA) als Folge der Radikaleinwirkung, die durch zeitadaptierte, antioxidative Vitamintherapie vermindert werden können.

1.3: Oxidatives modifiziertes LDL

Ein Modell für die LDL-Oxidationsreaktionen wurde in der in vitro Oxidation von isoliertem LDL mit Kupferionen (Esterbauer et al. 1989) gefunden, wo je nach Gehalt an Antioxidantien unterschiedlich schnell verlaufende Peroxidationsreaktionen von mehrfach ungesättigten Fettsäuren führen. Oxidierte LDL entstehen, wenn sie von einer besonderen Form von Sauerstoffmolekülen ("Freie Radikale") angegriffen werden. Die Umwandlung von LDL zu oxidiertem LDL kann auch durch unterschiedliche Enzyme wie Myeloperoxidase, Lipoxygenasen und Cyclooxygenasen bewirkt werden, ebenso durch Radikalbildner. Eine Erhöhung der Antikörper gegen oxidiertes LDL wird als Indikator für oxidativen Stress gewertet.

1.4:Stickstoffmonoxid (NO) und seine Bedeutung im oxidativen-/ nitrosativen Stresses

Stickstoffmonoxid (NO) ist in Anwesenheit von Sauerstoff und ROS instabil. NO wird in den Endothelzellen durch das Enzym NO-Synthase aus der Aminosäure L-Arginin gebildet und führt durch die Interaktion von NO und Sauerstoff zur Bildung reaktiver NO-Metaboliten (RNOS). Die Reaktionsprodukte von Stickstoff und Sauerstoff beinhalten auch das starke Oxidans Peroxynitrit. Asymmetrisches Dimethylarginin (ADMA) ist ein endogener Inhibitor der NO-Synthetase (NOS). ADMA kann durch das Enzym Dimethylarginin-Dimethylaminohydrolase (DDAH) zu Citrullin und Dimethylamin abgebaut werden. Das bedeutet, daß die Plasmakonzentrationen von ADMA nicht nur durch die renale Funktion, sondern auch durch die DDAH-Aktivität beeinflusst werden. Es ist also möglich, daß eine DDAH-Dysfunktion der primäre Mechanismus sein könnte, der Ursache einer erhöhten ADMA-Plasmakonzentration ist. Daher ist eine weiterer Schwerpunk der Arbeitsgruppe die Bedeutung von ADMA und seiner Abbauprodukte Citrullin und Dimethylamin als Indexparameter der DDAH-Aktivität. Bei zahlreichen Erkrankungen und Untersuchungen im Lungengewebe konnte gezeigt werden, dass NO sowohl pro- als auch antioxidative Effekte besitzen kann.

II. Antioxidantien

Das Antioxydationsmittelsystem schützt das Gewebe gegen die Effekte der freien Radikale. Für die Beurteilung und quantitative Bewertung des oxidativen Stresses ist zum einen die Evaluierung der antioxidativen Schutzsysteme von Interesse. Zu den enzymatischen Antioxidantien gehören vor allem die Superoxiddismutase, die Glutathionperoxidase und die Katalase. Damit diese Enzyme arbeiten können, benötigen sie Selen, Kupfer, Mangan, Zink und Eisen. Bei den nicht-enzymatischen Antioxidantien unterscheidet man zwischen endogenen niedermolekularen Antioxidantien (z.B. Glutathion) und den exogenen Antioxidantien, die über die Nahrung zugeführt werden müssen, wie L-Ascorbinsäure (Vit. C), a-Tocopherol (Vit.E), Karotinoide (ß-Carotin) und sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe (Polyphenole, Flavonoide). Ohne zusätzliche Antioxidantien kann es zum Beispiel während und nach einer Reperfusionsphase zu einer vorübergehenden Erhöhung der Abbauprodukte der LP kommen. In mehreren Humanexperimenten konnte mit der Bestimmung des Totalen Antioxidantien Status (TAS) und einzelner Vitamine bewiesen werden, dass durch zusätzliche Zufuhr von Antioxidantien, vor allem durch Einsatz der Vitamine E, C, sowie Retinol (Vit A), ROS auch in höheren Konzentrationen abgefangen bzw. deaktiviert werden.

Folgende Studienergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht:

1)  Oxidiertes LDL ist nachweislich an der Entstehung und Progression der Atherosklerose beteiligt und wurde bei der STYJOBS-Kohorte, mit der Fragestellung Atheroskleroseentstehung und frühe metabolische Veränderungen bei Adipositas, untersucht.(http://www.medunigraz.at/labordiagnostik/f_atheroskleroseentstehung_adipositas.htm)Dabei konnten Ergebnisse über oxidativ modifiziertes LDL pupliziert werden, wo vermindertes HDL-Cholesterin als unabhängiger Prediktor für Lipidperoxidation, eine Zunahme von oxLDL reflektiert, unabhängig von Alter, Geschlecht sowie entzündlich und metabolische Risikofaktoren (1).

2) Eine andere Studie zeigte die Myeloperoxidase (MPO) als möglicher nicht-invasiver Prädiktor für das Monitoring von Abstossungsreaktionen bei Herztransplantierten (2,3). MPO wird im Zuge des respiratory burst der neutrophilen Granulozyten bei der Phagozytose freigesetzt und bildet aus Wasserstoffperoxid und Chlorid-Ionen das Oxidationsmittel Hypochlorige Säure.

3) Oxidativer Stress ist ebenfalls bei den pathophysiologischen Vorgängen von Migräne beteiligt. Daher wurden die oxidativen Stressparameter HNE und MDA in der MIGRONIS-Studie (Migraine, Reactive Oxygen and Nitrogen Species Study unter http://www.meduni-graz.at/labordiagnostik/f_migronis.htm) untersucht.
Dieser Einfluß konnte anhand von erhöhten HNE-Konzentrationen nachgewiesen werden (4).
HNE entsteht wie MDA bei der Peroxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAs), wie der Linol- oder Arachidonsäure, die Bestandteile biologischer Membranen sind. Aufgrund seiner zwei funktionellen Gruppen (Aldehyd und Hydroxyl) und der C=C-Doppelbindung gehört 4-HNE zu den reaktivsten Autoxidationsprodukten. Auf Grund seines lipophilen Charakters akkumuliert HNE in biologischen Membranen und führt dort zur Funktionsbeeinträchtigung membrangebundener Enzyme und Transportproteine.

Publikationen

[1] Zelzer S, Fuchs N, Almer G, Raggam RB, Prüller F, Truschnig-Wilders M, Schnedl W, Horejsi R, Möller R, Weghuber D, Ille R, Mangge H. High density lipoprotein cholesterol level is a robust predictor of lipid peroxidation irrespective of gender, age, obesity, and inflammatory or metabolic biomarkers. Clin Chim Acta. 2011 Jul 15;412:1345-9.

[2] Zelzer S, Stiegler P, Kapitan M, Schaffellner S, Schweiger M, Stettin M, Stojakovic T, Truschnig-Wilders M, Tscheliessnigg KH, Khoschsorur G. Myeloperoxidase as serum marker for detection of CMV infections and rejections in patients after liver or heart transplantation. Transpl Immunol. 2009 Jan;20(3):121-6.

[3] Koestenbauer S, Stiegler P, Stadlbauer V, Mayrhauser U, Leber B, Schweiger M, Wasler A, Prenner G, Sereinigg M, Zelzer S, Stojakovic T, Scarpatetti M, Griesbacher A, Greilberger J, Tscheliessnigg K. Myeloperoxidase and carbonyl proteins: promising markers for non-invasive monitoring of graft rejection after heart transplantation. J Heart Lung Transplant. 2010 Dec;29(12):1352-7.

[4] Bernecker C, Ragginer C, Fauler G, Horejsi R, Möller R, Zelzer S, Lechner A, Wallner-Blazek M, Weiss S, Fazekas F, Bahadori B, Truschnig-Wilders M, Gruber HJ. Oxidative stress is associated with migraine and migraine-related metabolic risk in females. Eur J Neurol. 2011 Oct;18(10):1233-9.

Laufende Projekte betreffend Lipidperoxidation
(Stand: Jän. 2012)

1.1: Fettstoffwechsel, Kognition und Hirnstruktur bei bipolar affektiver Störung/Rolle vom oxidativen Stress in der Pathophysiologie bei bipolaren Störungen
Patienten mit einer bipolaren Erkrankung mit kognitiven Defiziten haben größere hirnmorphologische Auffälligkeiten als bipolare Patienten ohne kognitive Defizite. Es gibt einen Zusammenhang zwischen Adipositas, kognitiver Dysfunktion und Hirnmorphologischen/ elektrophysiologischen Veränderungen bei bipolarer Erkrankung. Außerdem gibt es neuere Studien die bestätigen, dass oxidativer Stress in der Pathophysiologie von „bipolarer disorder“ involviert ist. Der Zusammenhang ist zwischen oxidativen Stressmechanismen und psychiatrischen Erkrankungen vor allem bei Schizophrenie und affektive Störungen gegeben. Die überwiegende Mehrzahl der Studien an schizophrenen Patienten berichtet von erhöhten Konzentrationen an antioxidativ wirkenden Enzymen, einer Dysregulation des Glutathion Systems und einem hohen Anteil Lipid Peroxidation, die zu einer Verringerung mehrfach ungesättigter Fettsäuren, vor allem der Omega-3-Fettsäure führt. Interessanterweise können diese Effekte im Rahmen einer antipsychotischen Pharmakotherapie deutlich reduziert werden. Unterstützt werden diese Ergebnisse durch signifikante Assoziationen zwischen genetischen Varianten in Genen oxidativer Stress Mechanismen und Schizophrenie.Im Rahmen dieser Studie werden mittels chromatographischer Methode (GC-MS) die folgenden oxidativen Stress Komponenten an großen Kollektiven bipolarer Patienten bestimmt und an gesunden Kontrollpersonen verglichen:

• Malondialdehyd (MDA); total und frei

• 4-Hydroxynonenal (HNE)

Ziel: Die Relevanz der Marker für oxidativen Stress wird dabei untersucht. Kann der signifikante Zusammenhang von einer hohen Lipidperoxidation bei Patienten mit bipolare, affektiver Störung bestätigt werden? Welche Aussagekraft haben diese oxidativen Stressparameter.

Kooperationspartner: Klinisches Institut für Med. und Chem. Labordiagnostik; Universitätsklinik für Psychiatrie; Institut für Pathophysiologie und Immunologie, Universitätsklinik für Neurologie, Klinische Abteilung für Neuroradiologie, Unit for Mood Disorders Psychopharmacology at the University Health Network, Toronto, Canada

Ausgewählte Publikationen:

• Bernecker C, Ragginer C, Fauler G, Horejsi R, Möller R, Zelzer S, Lechner A, Wallner-Blazek M, Weiss S, Fazekas F, Bahadori B, Truschnig-Wilders M, Gruber HJ. Oxidative stress is associated with migraine and migraine-related metabolic risk in females. Eur J Neurol. 2011 Oct;18(10):1233-9.
• Breusing N, Grune T, Andrisic L, Atalay M, Bartosz G, Biasi F, Borovic S, Bravo L, Casals I, Casillas R, Dinischiotu A, Drzewinska J, Faber H, Fauzi NM, Gajewska A, Gambini J, Gradinaru D, Kokkola T, Lojek A, Luczaj W, Margina D, Mascia C, Mateos R, Meinitzer A, Mitjavila MT, Mrakovcic L, Munteanu MC, Podborska M, Poli G, Sicinska P, Skrzydlewska E, Vina J, Wiswedel I, Zarkovic N, Zelzer S, Spickett CM. An inter-laboratory validation of methods of lipid peroxidation measurement in UVA-treated human plasma samples. Free Radic Res. 2010 Oct;44(10):1203-15.

Kontakt:
Mag. S. Zelzer
Klinisches Institut für Medizinische und Chemische Labordiagnostik
Medizinische Universität Graz
Auenbruggerplatz 29
8036 Graz
Tel.: 0043 316/385 81306)
email: sieglinde.zelzer@klinikum-graz.at

1.1.2: The Induction of Mild Hypothermia Prevents Acute Respiratory Failure During Endotoxemia in Pigs
Sepsis ist eine der allgemeinsten und meisten lebensbedrohendsten Diagnosen in der Intensivpflege. Eine Immunreaction, die einer lokalen Infektion folgt, führt zu einen Organfunktionsstörung bis zum Multi-Organausfall. Vor allem septische Kardiomyopathien sind hauptverantwortlich „septischen Schocks „.Trotz aller Intensivpflegebemühungen liegt die Sterblichkeitsrate bei strengen Sepsispatienten über 25%.

Die Induktion der milden Hypothermie (MH, 32-34°C) gehört zur Richtlinientherapie nach dem Herzstillstand, um hypoxische Gehirnschäden zu vermindern. In den Schweinen übt MH auch einen geringfügigen positiven inotropischen Effekt aus, erhöht Gefäßwiderstand und verringert den Sauerstoffverbrauch des ganzen Körpers. In einem experimentellen Modell des cardiogenen Schocks, verbessert MH außerdem das Überleben. Studien belegen, dass bei intraperetonealen Lipopolysaccharide (LPS)einspritzungen in den Ratten, die Entzündungsreaktion durch MH vermindert wird.
Die Effekte der MH auf kardiovaskuläre Funktionen sollen in einem experimentellen Modell des septischen Schocks bei Schweinen studiert werden.

Ziel: Milde Hypothermie ist möglicherweise eine therapeutische Wahl für akute Lungenerkrankungen während der Sepsis. Welche Rolle spielen dabei die Cytokine und die oxidativen Stressparameter.

Kooperationspartner: Klinisches Institut für Med. und Chem. Labordiagnostik; Klinische Abteilung für Kardiologie, MUG, Graz; Leiden University Medical Center, Leiden; Holland

Ausgewählte Publikationen:

• Schwarzl M, Steendijk P, Huber S, Truschnig-Wilders M, Obermayer-Pietsch B, Maechler H, Pieske B, Post H. The induction of mild hypothermia improves systolic function of the resuscitated porcine heart at no further sympathetic activation. Acta Physiol (Oxf). 2011 Dec;203(4):409-18.

Kontakt:
Mag. S. Zelzer
Klinisches Institut für Medizinische und Chemische Labordiagnostik
Medizinische Universität Graz
Auenbruggerplatz 29
8036 Graz
Tel.: 0043 316/385 81306)
email: sieglinde.zelzer@klinikum-graz.at