Carbamyliertes LDL und endotheliale Dysfunktion

Bei Nierenerkrankungen führen gesteigerten Harnstoff Spiegel zu einer hohen Konzentration von Zyanat, das spontan aus Harnstoff gebildet wird. Zyanat ist ein Nukleophil, das irreversibel mit Aminosäuren oder mit Lysinresten innerhalb eines Proteins reagiert und zu Proteincarbamylierungen führt. Zyanat kann aber auch über einen anderen Mechanismus direkt bei entzündlichen Erkrankungen gebildet werden. Dabei wird durch das Enzym Myeloperoxidase (MPO) aus Thiozyanat und H2 O2 Zyanat gebildet, was zu Proteincarbamylierungen im entzündlichen Gewebe führt. Aktive MPO findet man angereichert in atherosklerotischen Läsionen und an Lipoproteine gebunden. Daher kann man davon ausgehen, dass MPO generiertes Zyanat auch Lipoproteine carbamyliert. So findet man besonders hohe Konzentrationen an carbamylierten Lipoproteinen geringer Dichte (LDL) im Blut von Patienten mit chronischen Nierenerkrankungen. Erste klinische Studien zeigten, dass carbamylierte Proteine ein starker Risikofaktor für die Entstehung von Atherosklerose, zukünftigem Myokardinfarkt oder Schlaganfall sind. Sowohl LDL von Patienten mit Nierenerkrankungen als auch in vitro carbamylierte LDL zeigen verschiedenste atherogene Eigenschaften, wie eine erniedrigte Affinität zum LDL Rezeptor, proliferative Wirkung auf glatte Muskelzellen und eine Induktion von Endothelzellapoptose. Daher gilt carbamyliertes LDL als ein potentieller neuer Risikofaktor für die Entstehung von Atherosklerose. Als entscheidenter Schritt bei der Entstehung von cardiovaskulären Erkrankungen wird eine lokale endotheliale Dysfunktion angesehen, die durch eine Aktivierung von endothelständigen Rezeptoren induziert werden kann. Dieser permanente Reiz kann zu einer chronisch entzündlichen Gefäßwand führen, ein entscheidenter Schritt bei der Entstehung von Atherosklerose. Interressanterweise sind noch keine Rezeptoren auf Endothelzellen identifiziert worden, die die pro-atherogenen Eigenschaften von carbamyliertem LDL mediieren. Die spezifischen Ziele des Projektes sind (i) die Identifizierung von endothelialen Rezeptoren und/oder Bindungsproteine für carbamyliertes LDL und (ii) die systematische Untersuchung der durch carbamylierte LDL induzierten Signaltransduktionen und nachfolgender Regulation inflammatorischer Gene.

Die dramatische kardiovaskuläre Mortalität bei chronischen Nierenerkrankungungen ist zu einem signifikanten Anteil auf ein beeinträchtigtes Gefäßsystem und eine endotheliale Dysfunktion zurückzuführen. Trotz der immensen Bedeutung dieser Problematik existieren derzeit kaum Einsichten in die Pathophysiologie und es gibt nur wenige Anhaltspunkte für eine effiziente und evidenzbasierte Präventions- und Behandlungsstrategie. Während Harnstoff selbst unschädlich ist, können viele Moleküle durch Cyanat, einem reaktiven Zersetzungsprodukt von Harnstoff, carbamyliert werden und in ihrer Funktion stark beeinträchtigt werden. Bei Patienten mit chronischem Nierenversagen werden im Blut zirkulierende Lipoproteine chemisch durch Cyanat verändert (Carbamylierung). Neuere klinische Studien liefern klare Belege, dass carbamylierte Proteine ein starker Risikofaktor für die Entstehung von Atherosklerose oder zukünftigem Herzinfarkt sind. In diesem Projekt untersuchten wir, ob Cyanat und Cyanat-modifizierte Lipoproteine eine endotheliale Dysfunktion induzieren können, ein entscheidender Schritt bei der Entstehung von kardiovaskulären Erkrankungen. Wir fanden, dass Cyanat selektiv die Expression von interzellulären Adhäsionsmolekülen (ICAM-1) in humanen arteriellen Endothelzellen induziert, was zu einer deutlich erhöhten Leukocyten Adhesion führt. In in vivo Experimenten konnten wir eine signifikant erhöhte ICAM-1 Expression in der Gefäßwand der mit Cyanat behandelten Mäusen feststellen. Interessanterweise zeigte sich, dass lösliche ICAM-1 Proteine signifikant mit dem Carbamylierungsgrad von Plasmaproteinen in Dialysepatienten korrelieren, was die physiologische Relevanz unserer Arbeit unterstreicht. Eine besonders wichtige Erkenntnis des Projekts war, dass vor allem Lipoproteine hoher Dichte (HDL - so genanntes gutes Cholesterin) in atherosklerotischen Gefäßwänden durch Cyanat modifiziert wird. Wir konnten zeigen, dass Cyanat die anti-atherogenen Eigenschaften von HDL deutlich reduziert, ja HDL sogar pro-atherogen wird. Diese Ergebnisse zeigen ganz klar, dass freies Cyanat als auch Cyanat modifizierte Lipoproteine pro-atherogen sind und möglicherweise entscheidend zur hohen kardiovaskulären Mortalität von uremischen Patienten beitragen.