Aufnahme und Funktion von Vitamin E im Gehirn

Freie Radikale sind hochreaktive Spezies, die dazu in der Lage sind, die Funktionen von Zellen und zellulären Kompartimenten zu beeinträchtigen. Unter physiologischen Bedingungen haben diese Radikalspezies (wie z.B. das Superoxidradikalanion) eine wichtige Funktion bei der Abwehr von Krankheitserregern. Während akuter oder chronischer Entzündungsvorgänge kann es allerdings zu einer überhöhten Produktion dieser hochreaktiven Radikale kommen, die durch zelluläre Systeme nicht mehr entgiftet werden können. Dies führt zu einer groben Beeinträchtigung der zellulären Funktionen und kann im Tod der betroffenen Zellen resultieren. Dieses Szenario einer überhöhten Radikalproduktion scheint (wie bei vielen anderen Erkrankungen, darunter auch Atherosklerose) auch bei neurodegenerativen Erkrankungen (wie z.B. Morbus Alzheimer oder der amyelotrophen lateralen Sklerose) Gültigkeit zu haben. Durch die cerebrale Produktion von freien Radikalen können Neuronen geschädigt werden und somit die Gehirnfunktionen beeinträchtigen. Offenbar nimmt bei diesen Vorgängen eine ausreichende Versorgung des Gehirns mit alpha-Tocopherol (alpha-TocH), dem biologisch aktivstem Vertreter der VitaminE Familie, eine ganz zentrale Stellung ein. Eine Unterversorgung des Gehirns mit alpha-TocH führt zu charakteristischen und schweren neurologischen Störungen, die denen der Friedreich`s Ataxie nahezu ident sind. Diese Befunde beweisen eindeutig, daß eine ausreichende Versorgung des Gehirns mit alpha-TocH für normale neurologische Funktionen von fundamentaler Bedeutung ist. Unabhängig davon ist es allerdings nicht klar, welche Mechanismen die Versorgung des Gehirns mit alpha-TocH über die Blut-Hirnschranke gewährleisten und ob alpha-TocH im Gehirn nur eine antioxidative (d.h. Entgiftung der oben angeführten Radikalspezies) oder andere, noch unbekannte Funktionen ausübt. Aufbauend auf diesen Befunden sollen im vorliegenden Projekt folgende Fragestellungen untersucht werden: - Welche Mechanismen sind für die Aufnahme von alpha-TocH über die Blut-Hirschranke verantwortlich? - Werden unterschiedliche alpha-TocH Isomere mit unterschiedlicher Effizienz aufgenommen? - Welche Rolle spielen Lipoprotein-Rezeptoren während der Aufnahme von alpha-TocH über die Blut- Hirnschranke? - Kann alpha-TocH die Aktivität von Enzymen, die an der Produktion von Radikalen beteiligt sind, regulieren? - Wird im Gehirn die Expression von Genen durch alpha-TocH differentiell reguliert? Wir glauben, daß das vorgelegte Projekt einen Beitrag dazu leisten wird, die Funktionen von alpha-TocH im Gehirn besser zu verstehen. Das Verständnis der Aufnahmemechanismen und Funktionen könnte es auch erlauben, in Zukunft antioxidativ wirksame Medikamente zu entwickeln, die eine effizientere Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen erlauben.

Freie Radikale (reaktive Sauerstoff- und/oder Stickstoffverbindungen) sind toxische Produkte des normalen Stoffwechsels, die bei Überproduktion vom Körper nur schwer entgiftet werden können. Das Gehirn hat im Vergleich zu anderen Organen sehr hohe Stoffwechselraten, so dass hier besonders hohe Konzentrationen an freien Radikalen entstehen können. Die Beteiligung von freien Radikalen bei der Schädigung von Nervenzellen, wie sie u.a. bei Morbus Alzheimer oder Parkinson beobachtet wird, ist wissenschaftlich erwiesen. Einer der natürlichen Schutzmechanismen gegen die toxische Wirkung von Radikalen wird von sogenannten Antioxidantien übernommen. Ein wichtiger Vertreter dieser Klasse ist ein natürlicher Nahrungsbestandteil, das Vitamin E. Vitamin E ist ein wasserunlösliches Vitamin und wird nach der Aufnahme mit der Nahrung im Dünndarm in Lipoproteine verpackt und von diesen im Blutkreislauf transportiert. Die Aufnahme in die diversen Zielorgane erfolgt über Rezeptormoleküle welche einzelne Lipoproteinklassen ganz spezifisch erkennen, Lipoprotein-Bestandteile in die Zelle einschleusen und so mit lebenswichtigen Komponenten (u.a. Vitamin E) versorgen. Diese Aufnahmemechanismen sind in den meisten Organen sehr gut aufgeklärt, das Gehirn nimmt hier allerdings eine Sonderstellung ein. Bei einer erblichen Kleinhirn-Erkrankung die als Vitamin E-Mangel Ataxie bezeichnet wird, ist der Einbau von Vitamin E in Lipoproteine funktionell gestört. Diese Form der Ataxie ist auf eine oder mehrere Mutationen im Vitamin E Transferprotein (das den Einbau in Lipoproteine unterstützt) zurückzuführen. Die Patienten, die solche Mutationen im Vitamin E Transfer-protein tragen, leiden unter schweren Ataxien (Muskeleigenreflexe, Bewegungsstörungen). Dies zeigt, dass Vitamin E für normale neurologische Funktion unerlässlich ist. Ein weiteres Indiz für die wichtige Schutzfunktion von Vitamin E zeigt sich darin, dass Vitamin E degenerative Krankheiten des Gehirns positiv beeinflussen kann: Zum Beispiel konnte gezeigt werden, dass die Einnahme von Vitamin E (in Kombination mit Vitamin C) das Risiko an Morbus Alzheimer zu erkranken, wesentlich senkt. Wie oben angeführt, nimmt die Versorgung des Gehirns mit Vitamin E eine Sonderstellung ein. Dies rührt daher, dass das Gehirn von der peripheren Zirkulation durch die sogenannte Blut-Hirn Schranke (BHS) getrennt wird. Die BHS dient zum Schutz des Zentralnervensystems vor möglichen schädlichen Substanzen und wirkt als hochselektiver Filter. Im Rahmen dieses Projektes haben wir uns zum Ziel gesetzt, einerseits Transport- mechanismen von Vitamin E über die BHS aufzuklären und andererseits den Einfluss von Vitamin E auf die Produktion von neurotoxischen Sauerstoffverbindungen durch Immunzellen des Gehirns (Mikroglia) zu untersuchen. Bei diesen Untersuchungen wurde eine `künstliche` BHS eingesetzt, die aus Schweinegehirn-Endothelzellen aufgebaut ist, die auf Filtern kultiviert werden. Dieses `in vitro` System ist dazu geeignet, den Transport von Vitamin E über die BHS zu untersuchen. In diesen Experimenten konnten wir zeigen, dass Vitamin E das zusammen mit Lipoproteinen hoher Dichte (HDL) transportiert wird, an der BHS viel besser aufgenommen wird als Vitamin E das mit Lipoproteinen niedriger Dichte (LDL) transportiert wird. Dafür zeichnet ein HDL- Bindungsprotein verantwortlich, das von uns auf Gehirnendothel-Zellen nachgewiesen wurde und für die Vitamin E Aufnahme verantwortlich ist. Ein zweites wichtiges Protein im Lipoprotein-Metabolismus, die Lipoprotein-Lipase scheint für die Aufnahme von LDL-assoziiertem Vitamin E zuständig zu sein. Im zweiten Teil des Projekts wurde gezeigt, dass Vitamin E die Funktion von Immunzellen des Gehirns (Mikroglia) positiv beeinflusst. Unter normalen Bedingungen übernehmen Mikroglia im Gehirn wichtige Schutz- und Reparaturfunktionen. Unter entzündlichen Bedingungen (wie sie z.B. bei Morbus Alzheimer oder Parkinson beobachtet werden), werden diese Zellen überaktiviert und produzieren freie Radikale, die Neuronen schädigen. Eine Simulation von entzündlichen Bedingungen hat gezeigt, dass Mikroglia hohe Konzentrationen von Sauerstoffradikalen (Superoxidradikal-Anionen) und entzündlichen Mediatoren (`Prostaglandine`) bilden. Der Zusatz von Vitamin E unter diesen Bedingungen führte zu einer erheblichen Senkung der Synthese dieser Verbindungen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass Vitamin E in diesem System nicht als Antioxidans wirkt, sondern die Assemblierung und Synthese der verantwortlichen Enzyme (NADPH-Oxidase und Cyclooxygenase-2) inhibiert.