Anoxie-Toleranz und -Intoleranz von Vertebraten

Anhand von Modellsystemen (Hepatozyten des Goldfisches bzw. der Forelle) sollen 3 zellphysiologische Aspekte der Anoxie-Toleranz von Wirbeltieren untersucht werden: (1) Welche Rolle spielt die Aufrechterhaltung des Ionenhaushalts für das Überleben unter anoxischen Bedingungen und mit Hilfe welcher Mechanismen wird dies erreicht? (2) Welche Bedeutung kommt sauerstoff-sensitiven Mechanismen bei der geregelten Drosselung des Zellstoffwechsels zu? (3) Ist die glykolytische ATP-Produktion bei Anoxie-toleranten Zellen von generell größerer Wichtigkeit als bei Anoxie-intoleranten Zellen und besteht eine unmittelbare Abhängigkeit bestimmter zellulärer Funktionen von aus der Glykolyse stammenden Energie-Äquivalenten?

In den Zellen der meisten Vertebraten führt Sauerstoffmangel (Anoxie) bereits nach relativ kurzer Zeit zum Verlust der energetischen Homöostase und letztlich zum Zelltod. Dieser Umstand ist nicht nur von wissenschaftlichem, sondern vor allem auch von klinischem Interesse ist, weshalb in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Studien unternommen wurden, die Grundlagen der Anoxie-Intoleranz zu erfassen. Für diese Zwecke wurden vornehmlich entweder Zelllinien menschlichen Ursprungs, oder aber Zellen anderer Säugetiere, wie etwa der Ratte, verwendet, die sich allesamt durch eine mehr oder minder ausgeprägte Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoffmangel auszeichnen. In den vorliegenden Arbeiten dienten die Leberzellen des Goldfisches als Modellsystem zum Studium der zellulären Grundlagen der Anoxie-Toleranz. Die Anoxie-Toleranz des Goldfisches und auch der isolierten Leberzellen dieses Tieres sind bereits seit längerem ausgezeichnet dokumentiert. Es wurde daher versucht, aus dem Verhalten dieser Zellen unter anoxischen Bedingungen zu ergründen, was Zellen von Wirbeltieren tolerant gegenüber Sauerstoffmangel macht und daraus abzuleiten, wo die kritischen Punkte liegen, die Anoxie-Intoleranz bedingen. Allerdings bergen an Goldfischhepatozyten gewonnene Befunde, wenn sie Unterschiede zu typischen Säugerzellen belegen, die Gefahr in sich, nicht nur durch Anoxie-Toleranz bedingte Unterschiede widerzuspiegeln, sondern auch phylogenetische, d.h. grundlegende Unterschiede zwischen Säugern und Fischen. Um dieser Gefahr bis zu einem gewissen Grad zu begegnen, wurden in den Arbeiten des vorliegenden Projekts auch vergleichende Untersuchungen mit Hepatozyten der Forelle, einem anoxieintoleranten Fisch, angestellt. Im Besonderen wurden konkret folgende 3 zellphysiologischen Aspekte der Anoxie-Toleranz von Wirbeltieren untersucht: (1) Ist die glykolytische ATP-Produktion bei Anoxie-toleranten Zellen von generell größerer Wichtigkeit als bei Anoxie-intoleranten Zellen und besteht eine unmittelbare Abhängigkeit bestimmter zellulärer Funktionen von aus der Glykolyse stammenden Energie-Äquivalenten? (2) Welche Rolle spielt die Aufrechterhaltung des Ionenhaushalts für das Überleben unter anoxischen Bedingungen? (3) Welche Bedeutung kommt Sauerstoff-sensitiven Mechanismen bei der geregelten Drosselung des Zellstoffwechsels zu? Es konnte gezeigt werden, daß die glykolytische ATP-Produktion in den Goldfischzellen nicht nur unter Energie- limitierten Bedingungen, sondern auch unter Normoxie, d.h. bei normaler Sauerstoffverfügbarkeit, von besonderer Bedeutung für die zelluläre Homöostase ist. Dabei scheint insbesondere der engen Kopplung der wichtigsten Ionenpumpe der Zellen , der Na/K-ATPase, an die Glykolyse eine Schlüsselrolle zuzukommen. Diese Kopplung ist letztlich auch für die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung der Ionenhomöostase in den Zellen unter Anoxie ausschlaggebend. So können die Goldfischzellen bei Anoxie, zusätzlich zur Bewahrung der zellulären Kalium- und Kalziumhomöostase, auch ihren intrazellulären pH konstant halten, während dieser bei den Zellen der Forelle signifikant absinkt. Zudem erhalten sich die Goldfischzellen auch ihre hormonelle Erregbarkeit, wodurch die Freisetzung von Glukose aus der Leber zur Versorgung anderer Gewebe sowohl über einen Kalzium-abhängigen als auch einen Kalzium-unabhängigen Signalweg möglich ist und die Zellen flexibel auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren können. Als zelluläre Sensoren für die An- oder Abwesenheit von Sauerstoff scheinen Sauerstoff-sensitive Proteinen zu fungieren, wobei insbesondere Sauerstoffradikale eine besondere Signalwirkung zu haben scheinen.