Tetrahydrobiopterin und Ischämie-Reperfusionsschaden

Trotz der Fortschritte in der Organkonservierung, in den chirurgischen Techniken und in den Immuno-suppressiven Behandlungsansätzen ist die Verminderung des Ischämie Reperfusionsschadens in der Transplantationsmedizin ein wesentliches Ziel der Forschung. Für Pankreastransplantationen schätzt man, dass der Ischämie Reperfusionsschaden und die daraus folgende Pankreatitis für bis zu 10 % der Organverluste nach Pankreas Transplantationen verantwortlich ist. In vorangegangenen Arbeiten in einem neuartigen Pankreas Transplantationsmodell der Maus konnten wir zeigen, dass eine Behandlung mit Tetrahydrobiopterin den Ischämie Reperfusionsschaden deutlich mindern kann. Tetrahydrobiopterin ist eine Verbindung, die mit den Vitaminen Folsäure und Riboflavin chemisch verwandt ist, aber vom Menschen und anderen Säugetieren selbst gebildet werden kann. Tetrahydrobiopterin ist ein Cofaktor von Hydroxylasen aromatischer Aminosäuren, von Stickstoffmonoxid Synthasen und von der Glyceryl Ether Monooxygenase. Wenn Tetrahydrobiopterin im Körper durch oxidativen Stress, wie er zum Beispiel bei der Reperfusion eine Organs auftritt, teilweise zu Dihydrobiopterin oxidiert wird, so führt dies zum sogenannten Entkoppeln der Stickstoffmonoxid Synthase, welche dann statt dem nützlichen Stickstoffmonoxid das schädliche Superoxid erzeugt. Man nimmt an, dass dieser Mechanismus nicht nur zum Ischämie Reperfusionsschaden beiträgt, sondern auch zu Störung der Gefäßfunktion in einer Reihe von Krankheiten wie z.B. Diabetes führt. In dem vorliegenden Projekt wollen wir die Vorgänge erforschen, die zur Minderung des Ischämie Reperfusionsschadens durch die Behandlung mit Tetrahydrobiopterin führen. In einem ersten Ansatz planen wir, die Wirkung von Tetrahydrobiopterin mit anderen, von der chemischen Struktur her ähnlichen Verbindungen zu vergleichen, um festzustellen, welche Strukturelemente des Tetrahydrobiopterin Moleküls für die Abschwächung des Ischämie Reperfusionsschadens notwendig sind. In einem zweiten Ansatz wollen wir untersuchen, welche Isoform der Stickstoffmonoxid Synthase für den beobachteten Effekt wichtig ist. Dazu wollen wir die Abschwächung des Ischämie-Reperfusionsschadens in Mausstämmen studieren, in denen jeweils eine Isoform der Stickstoffmonoxidsynthase inaktiviert worden ist. Zusätzlich zu den gängigen klinischen und biochemischen Untersuchungen wollen wir mit Fluoreszenzmikroskopie die Mikrozirkulation im transplantierten Organ beobachten und die Veränderungen in der Gesamtheit der Protein- und Gen-expression im Organ studieren, um ein möglichst vollständiges Bild der Veränderungen zu erhalten, die durch die Behandlung mit Tetrahydrobiopterin im Zusammenspiel mit der Funktion der Stickstoffmonoxid Synthase Isoformen ausgelöst werden. Wir hoffen, dass die Ergebnisse des geplanten Projektes unser Verständnis für die Vorgänge, die zum Ischämie Reperfusionsschaden führen, vertiefen können und wir damit den Grundstein für die Entwicklung von Wirkstoffen schaffen, die diesen Schaden vermindern helfen und damit zur Verbesserung des Transplantatüberlebens beitragen können.

Ziel des Projektes war es, die Wirkungsweise von Tetrahydrobiopterin zur Vermeidung des Ischämie-Reperfusions Schadens zu untersuchen. Wir entdeckten, dass die Nerven- Form des Enzyms Stickstoffmonoxid Synthase für die Entstehung des Ischämie Reperfusions Schadens in der Bauchspeicheldrüse hauptverantwortlich ist.Unter Ischämie-Reperfusions Schaden versteht man die Schädigung eines Gewebes, zum Beispiel eines zu transplantierenden Organes, die entsteht, wenn das Organ vom Blutkreislauf getrennt gelagert und transportiert wird, und anschließend wieder von Blut durchströmt wird, z.B. nach Einpflanzung des Organes. Der Ischämie-Reperfusions Schaden beeinträchtigt die Überlebenszeit und die Qualität des eingepflanzten Organes. Deshalb wird die Entstehung dieses Schadens gründlich erforscht und es werden Behandlungsmethoden gesucht, diesen Schaden zu vermeiden.Tetrahydrobiopterin ist eine kleine Verbindung, die in ihrem Aufbau den Vitaminen Folsäure und Riboflavin ähnlich ist. Im Gegensatz zu diesen beiden Vitaminen kann der Körper Tetrahydrobiopterin jedoch selbst herstellen. Tetrahydrobiopterin wird unter anderem zur Bildung des Signalmoleküls Stickstoffmonoxid benötigt. Stickstoffmonoxid wird von drei Varianten des Enzyms Stickstoffmonoxid Synthase hergestellt, einer Gefäßwand-Form, die den Blutdruck reguliert, einer Nerven-Form und einer im Immunsystem benötigten Form, die hilft, Krankheitserreger abzutöten.Als Hauptergebnis unserer Arbeiten konnten wir finden, dass überraschenderweise die Nerven-Form und nicht wie erwartet die Gefäßwand-Form des Enzyms Stickstoffmonoxid Synthase für die Entstehung des Ischämie-Reperfusions Schadens hauptverantwortlich ist. Wenn dieses Enzym fehlt, tritt der Schaden nicht auf. Stickstoffmonoxid Synthase benötigt die Vitamin-ähnliche Verbindung Tetrahydrobiopterin um richtig zu arbeiten. Wenn Tetrahydrobiopterin fehlt, bildet dieses Enzym schädliche, reaktive Sauerstoffverbindungen. Wir schließen aus unseren Ergebnissen, dass die Trennung des Organs vom Blutfluss und seine Lagerung die Vitamin-ähnliche, leicht verderbliche Verbindung Tetrahydrobiopterin zerstören. Dadurch erzeugt die Nerven-Form der Stickstoffmonoxid Synthase schädliche Sauerstoffverbindungen, die das Organ beschädigen. Wenn Tetrahydrobiopterin kurz vor Entnahme des Organs verabreicht wird, kann dieses schädliche Geschehen vermieden werden.Unsere Arbeiten tragen wesentlich zum Verständnis der Vorgänge bei, die die Funktionsweise transplantierter Organe beeinträchtigen. Da wir einen Hauptverursacher dieser Schäden im Stoffwechsel ausmachen konnten, hoffen wir, dass unsere Ergebnisse die Grundlage für die Entwicklung wirksamer Arzneistoffe sein werden, die zu einer Verbesserung der Qualität und der Lebensdauer von eingepflanzten Organen führen könnten.