Partikelexpositionen von Zellkulturen: Untersuchungen zur Rolle von Lipidmediatoren bei der inflammatorischen Antwort
Creators: name: Fritsch-Decker, Susanne
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2009

description: Zahlreiche epidemiologische Studien zeigen einen Zusammenhang zwischen der akuten Belastung mit Feinstaub (PM) und dem Auftreten von Lungen- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie ansteigenden Sterblichkeitsraten. Die dabei zugrunde liegenden biologischen Wirkungen und die molekularen Mechanismen sind bis heute aber noch weitestgehend ungeklärt.
Das Ziel dieser in vitro Studien war es daher sowohl die Mechanismen inflammatorischer und oxidativer Prozesse nach Partikelexposition zu untersuchen als auch deren Verbindung zueinander aufzuklären. Dabei wurden Flugstaubpartikel aus einer Hausmüllverbrennungsanlage (MAF02) als Modell für verbrennungsgenerierte Umweltpartikel eingesetzt. Da Makrophagen, neben Epithelzellen, wichtige Zielzellen der Lunge repräsentieren, wurden zur Untersuchung partikel-induzierter Effekte die murine Makrophagen-Zelllinie RAW264.7, primäre humane Makrophagen aber auch ein aus Makrophagen und Epithelzellen bestehendes Kokultursystem verwendet.
Flugaschepartikel induzierten in Makrophagen oxidativen Stress, welcher durch die Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies, die Bildung und Freisetzung von 8-Isoprostan, durch eine Erhöhung des intrazellulären Glutathion-Gehaltes, durch eine Akkumulation des Transkriptionsfaktors Nrf2, aber auch durch die Induktion des antioxidativen Hämoxygenase-1 Proteins charakterisiert war.
Des Weiteren wurde, als wichtiger Teil der inflammatorischen Antwort, die Freisetzung der Arachidonsäure und deren Metabolisierung zu Prostaglandin E2, ein Vertreter inflammatorischer Mediatoren, nach Partikelbehandlung gezeigt. In Korrelation erfolgte dabei ein Anstieg des Cyclooxygenase-2 Proteins. Interessanterweise konnte in einem realistischeren Kokultursystem mit Makrophagen und Epithelzellen eine synergistisch erhöhte Arachidonsäurefreisetzung im Vergleich zur jeweiligen Monokultur beobachtet werden. In Makrophagen zeigte die Mobilisation der Archidonsäure eine Calcium-Abhängigkeit, was durch den Einsatz der Calciumchelatoren BAPTA/AM und EGTA belegt wurde. Ferner wurde anhand von Inhibitor-Versuchen demonstriert, dass die Flugasche-induzierte Freisetzung der Arachidonsäure vom ERK1/2 und JNK1/2, aber nicht vom p38 MAPK (mitogenaktivierte Proteinkinase) Signalweg abhängig ist. Ausgehend von dieser Beobachtung konnte auf Proteinebene die mit der Aktivierung verbundene Phosphorylierung der ERK1/2 und der JNK1/2 nachgewiesen werden. Des Weiteren bewiesen Studien mitspezifischen Inhibitoren eine Beteiligung der zytosolischen Phospholipase A2, jedoch nicht der sekretorsichen und calcium-unabhängigen Phospholipase A2, an der Flugasche-induzierten Arachidonsäuremobilisation. Die Fähigkeit von MAF02 Partikeln oxidativen Stress zu induzieren und Signalwege, die den Arachidonsäuremetabolismus betreffen, zu aktivieren korrelierte mit der gesteigerten Aufnahme von Partikeln in das Zytosol von Makrophagen. Dabei lagen die Partikel sowohl einzeln als auch in Membraneinschlüssen im Zytosol der Makrophagen vor.
Interessanterweise ließ sich die Phosphorylierung von ERK1/2 und JNK1/2 durch den Einsatz des Antioxidanzes, N-Acetylcystein, deutlich reduzieren. Darüber hinaus erfolgte eine N-Acetylcystein-abhängige Inhibierung der Arachidonsäurefreisetzung, woraus erneut geschlossen wird, dass die Aktivierung von ERK1/2 und möglicherweise JNK1/2 an der Arachidonsäurefreisetzung beteiligt sind. Die MAF02-induzierte Induktion der Cyclooxygenase, der Hämoxygenase-1 und die Akkumulation von Nrf2 in der Zelle ließen sich ebenfalls durch NAc hemmen.
Zusammenfassend betrachtet belegen diese Studien, dass Flugstaub nach intrazellulärer Aufnahme inflammatorische Prozesse durch die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies initiiert, was zu einer Aktivierung von Signaltransduktionskaskaden und zu einer verstärkten Expression antioxidativer und inflammatorischer Gene führt. Dabei bewirkten zelluläre Interaktionen von Makrophagen und Epithelzellen eine verstärkte Reaktion in Bezug auf die Arachidonsäuremobilisierung nach Flugstaubbelastung. Somit scheint zelluläre Kommunikation entscheidend zur Entwicklung von partikel-induzierten Erkrankungen beizutragen.