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Regulative Mechanismen intrazellulärer Antioxidantien in Staub-exponierten humanen bronchoepithelialen Zellen in vitro und in vivo

Volltext

Beschreibung

Einleitung: Neben der Katalase und dem Glutathionsystem werden die Superoxid-Dismutasen (SOD), bestehend aus der im Zytosol lokalisierten Kupfer-/Zink-Superoxid-Dismutase (Cu2+/Zn2+ SOD) und der mitochondrialen Mangan-Superoxid-Dismutase (MnSOD), als die wichtigsten antioxidativ wirkenden Enzyme in Säugetierzellen angesehen. Antioxidantien schützen die wegen ihrer Barriere- und Stoffwechselfunktion wichtigen bronchoepithelialen Zellen auch vor Staub-induzierten reaktiven Sauerstoffmetaboliten.

Aufgabenstellung: Quantifizierung antioxidativer Protektionsmechanismen nach Staubexposition in bronchoepithelialen Zellen mit Betonung auf der genetisch regulierten SOD.

Studiendesign/Methodik: Das Forschungsvorhaben gliedert sich in zwei Abschnitte:

a
Im in vitro Teil wurden nach Exposition einer humanen bronchoepithelialen Zellinie (BEAS 2B) mit verschiedenen Stäuben (UICC [Union Internationale Contre le Cancer]-Krokydolith [KR], Steinwolle [SW] und Quarz [Si]; Konzentrationsbereich: 2-50 µg/cm2, Inkubationszeit: 24 h) folgende Quantifizierungen durchgeführt: MnSOD mRNA, Cu2+/Zn2+ SOD mRNA (jeweils mittels Northern-Analysen), intrazelluläre SOD-Aktivitäten (kinetische Assays), und SOD-Enzymkonzentrationen (ELISA: enzyme linked immunosorbent assay).
b
Um die Frage zu beantworten, ob sich die in vitro gewonnenen Ergebnisse auf die in vivo Situation übertragen lassen, wurden Probanden (n=61: stattgehabte Asbest- [n=8] bzw. Quarzmischstaub-Exposition [n=8]; nicht-staubexponierte Probanden: Raucher [n=19], Nichtraucher [n=26]) rekrutiert, bronchoskopiert und biopsiert. In den Bronchialschleimhautbiopsien wurden bestimmt: MnSOD mRNA (semiquantitative RT-PCR), SOD-Aktivitäten (s.o.), SOD-Enzymkonzentrationen (s.o.), morphologische Lokalisation der MnSOD (mRNA: In-situ-Hybridisierung; Enzym: immunhistochemische Analysen).

Ergebnisse/Diskussion:

  1. ad a) Die initial sehr niedrigen MnSOD mRNA-Werte ruhender nicht-exponierter BEAS 2B-Zellen stiegen schon bei geringer KR-Exposition (>2 µg/cm2) signifikant (p<0,01) an und fielen bei höheren KR-Konzentrationen (>10-50 µg/cm2) wieder ab. Im Gegensatz dazu veränderte sich die schon initial in nicht-exponierten Zellen erhöhte Cu2+/Zn2+ SOD mRNA durch eine KR-Exposition (>2 µg/cm2) nicht. Bei den o.g. höheren KR-Konzentrationen zeigte sich, wie bei der MnSOD mRNA, ein abfallendes Reaktionsmuster. Diese Reduktion ist die Folge eines beginnenden zytotoxischen KR-Effekts (siehe PUG-Bericht 1996, PUG LUVA 95 006). Der MnSOD mRNA-Anstieg bei den mit SW und Si exponierten Zellen war ähnlich. Ab Si-Konzentrationen von >25 µg/cm2 sank die MnSOD mRNA. Im Gegensatz dazu trat eine SW-bedingte MnSOD und Cu2+/Zn2+ SOD mRNA-Reduktion nicht auf. Damit hatten alle Stäube eine MnSOD mRNA induzierende Wirkung, die jedoch bei KR und Si durch die zunehmende Staub-induzierte Zytotoxizität abnahm: KR>Si>SW. Während bei KR die SOD-Aktivität und die MnSOD-Enzymkonzentrationen anstiegen (KR 3 µg/cm2, 96 h Inkubation), verhielten sich die entsprechenden Werte nach Si und SW uneinheitlich.
  2. ad b) Die in vitro erhobenen Ergebnisse lassen sich nicht auf die in vivo Situation übertragen, da sich bezüglich der MnSOD mRNA, der SOD-Aktivitäts- und der SOD-Enzymbestimmungen zwischen den Staub- und nicht-staubexponierten Probanden keine signifikanten Unterschiede errechneten. Eine jahrzehntelange Zigarettenrauchexposition erwies sich dagegen als starker MnSOD mRNA-Induktor: Anstieg um das 4,3-fache gegenüber Nichtrauchern (p<0,001). In der In-situ-Hybridisierung und Immunhistochemie zeigte sich eine vorzugsweise in den bronchoepithelialen Zellen lokalisierte MnSOD Expression. Eine SOD-Aktivitäts- oder SOD-Enzymerhöhung ließ sich bei den Rauchern nicht nachweisen. Diese im Vergleich zu den erhöhten MnSOD mRNA-Werten bestehende Diskrepanz wurde als erhöhter Enzymumsatz bei kompensatorisch erhöhten mRNA-Spiegeln gewertet.

Zusammenfassung: Alle getesteten Stäube (KR, Si, SW) zeigten in vitro einen prooxidativen Effekt (MnSOD-Induktion). KR, bei höheren Konzentrationen auch Si (nicht aber SW) wirkten zytotoxisch. In vivo scheinen die durch eine Staubexposition verursachten prooxidativen Effekte im Gegensatz zu dem Zigarettenrauch-bedingten Einfluß nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Zigarettenrauch ist nach unseren in vivo erhobenen Ergebnissen somit der stärkste Induktor einer zelleigenen antioxidativen Abwehrreaktion.

Metadaten

TitelRegulative Mechanismen intrazellulärer Antioxidantien in Staub-exponierten humanen bronchoepithelialen Zellen in vitro und in vivo 
Stand 1999 
Seitenzahl78 
Förderkennzeichen PUGL95006

 

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