Die Bedeutung von Visfatin für die Immunantwort und systemische

Für Visfatin sind eine Reihe von immunmodulierenden Effekten bekannt, allerdings bestehen kontroverse Diskussionen über eine enzymatische oder Zytokin-ähnliche Wirkungsweise von Visfatin [336]. Moschen et al. (2007) konnten nachweisen, dass Visfatin in vitro eine Produktion der Zytokine IL-1β, TNFα und IL-6 in Leukozyten induziert und, dass eine Visfatin-Injektion in vivo zu einer erhöhtenKonzentration von zirkulierendem IL-6 führt [339].

Außerdem löste eine intracerebroventrikuläre (i.c.v.) Injektion von Visfatin in Ratten „sickness behavior“ mit PGE2-abhängigem Fieber, Anorexie und Lethargie aus [340]. Neutrophile Granulozyten werden durch inflammatorische Stimuli wie LPS zu einer Freisetzung von Visfatin angeregt [341]. Ebenso konnten Jia et al. (2004) in ihren Versuchen feststellen, dass neutrophile Granulozyten, die von septischen Patienten isoliert wurden, Visfatin freisetzen.

Wie für Adiponektin und Leptin konnte auch für Visfatin eine Interaktion mit dem Endothel nachgewiesen werden. So führte Visfatin in vitro und in vivo zu einer gesteigerten Leukozytenadhäsion aufgrund einer Induktion relevanter Adhäsionsmoleküle (ICAM-1, VCAM-1, E-Selectin) [342].

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ID Anti-inflammatorische Bedeutung von ω-3-Fettsäuren

Den ω-3-FS werden seit vielen Jahren anti-inflammatorische Bedeutungen zugesprochen.

Die ersten Beobachtungen dazu wurden in Bevölkerungsgruppen gemacht, die aufgrund ihrer Lebensweise eine große Menge ω-3-FS mit der Nahrung zu sich nehmen (z. B.

Eskimos) und deutlich weniger chronische Erkrankungen aufwiesen [343, 344]. Nachfolgend wird zunächst auf die Nomenklatur von Fettsäuren und deren Synthese sowie das Verhältnis zwischen ω-6- und ω-3-FS eingegangen.

FS sind Kohlenstoffketten, die durch eine Carboxylgruppe an der einen Seite und eine Methylgruppe an der anderen Seite „begrenzt“ sind [345]. Sie variieren stark in ihrer Länge und unterscheiden sich neben der Anzahl von Kohlenstoffatomen auch in der Anzahl und der Lokalisation ihrer Doppelbindungen. Gesättigte FS weisen keine Doppelbindung auf.

Hingegen enthalten ungesättigte FS eine variable Anzahl an Doppelbindungen [345].

Ausgehend von der Methylgruppe wird das Kohlenstoffatom mit der ersten Doppelbindung als ω-Kohlenstoffatom bezeichnet [345]. Die Nomenklatur (20:4, ω-6) für AA besagt, dass diese FS aus 20 Kohlenstoffatomen mit vier Doppelbindungen besteht und, dass sich die erste Doppelbindung an der ω-6-Position befindet.

Im Rahmen der Entzündungsreaktionen sind insbesondere lange, mehrfach ungesättigte FS von Bedeutung. Dabei handelt es sich um die ω-6-FS AA (20:4, ω-6) sowie die ω-3-FS EPA (20:5, ω-3) und DHA (22:6, ω-3) [346]. Als Ausgangssubstanz für die AA-Synthese dient die essentielle Linolsäure (LA, 18:2, ω-6) [345, 347]. Sie muss über die Nahrung aufgenommen werden und ist in den Samen der meisten Pflanzen, in Getreide, in vielen Pflanzenölen sowie in Margarine vorhanden [348, 349]. Die α-Linolensäure (αLNA, 18:3, ω-3) ist ebenfalls essentiell und bildet die Ausgangssubstanz zur Synthese der ω-3-FS EPA und DHA [347].

Sie wird beispielsweise über Leinsamen und Leinöl aufgenommen [349]. Die DHA entsteht über mehrere Schritte aus der EPA [347]. Allerdings ist die Synthese der ω-3-FS EPA und DHA durch Elongasen und Desaturasen (Abbildung 5) im Säugetierorganismus nur wenig effizient [350, 351]. Demnach werden auch EPA und DHA als essentiell angesehen. Ihre Aufnahme ist deutlich effektiver als die Aufnahme der Ausgangssubstanz αLNA. EPA und DHA sind hauptsächlich in Kaltwasserfischen und Algen vorhanden [349]. Säugetieren ist es nicht möglich FS einer ω-Klassifizierung in eine andere zu überführen [345]. Demnach können ω-3-FS nicht aus ω-6-FS synthetisiert werden. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten transgenen Fat-1 Mäuse sind hingegen dazu befähigt (siehe Kapitel ID4).

Durch die veränderte Nahrungsaufnahme in den Industrienationen hat sich das ω-6- /

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AA aufgrund der getreidebasierten Fütterung ein Hauptbestandteil tierischer Zellmembranen ist und mit tierischen Fetten aufgenommen wird [348, 352]. Weil ω-6- und ω-3-FS um die gleichen Enzymsysteme konkurrieren, die dabei entstehenden Metaboliten jedoch eine gegensätzliche Wirkung aufweisen, wird aus gesundheitlichen Gründen ein Verhältnis von 5:1 empfohlen [353].

1 Metabolisierung der ω-3-Fettsäuren zu Eicosanoiden oder Docosanoiden

Die Beschreibung der Synthese und Bedeutung von Eicosanoiden, die aus der ω-6-FS AA synthetisiert werden, erfolgte bereits in Kapitel IA2.1.2.3. Die Metaboliten der ω-3-FS EPA werden ebenfalls zur Gruppe der Eicosanoide gezählt [136]. Die Metabolisierung erfolgt über die gleichen Enzymsysteme wie bei der Synthese der AA-abhängigen Eicosanoide. Über die konstitutiv exprimierte COX-1 oder die induzierbare COX-2 werden aus der EPA Prostaglandine der 3er-Serie sowie Thromboxan A3 gebildet [136] (Abbildung 4). Eine Katalyse durch die 5-LOX führt zur Bildung von Leukotrienen der 5er-Serie [136]. EPA-abhängige Eicosanoide weisen allerdings weniger starke pro-inflammatorische Wirkungen auf. So ist Thromboxan A3 im Vergleich zum AA-abhängigen Thromboxan A2 nicht in der Lage eine Thrombozytenaggregation auszulösen [354]. Auch dem PGD3 wird eine stark anti-thrombotische Wirkung zugesprochen [355]. Durch derartige Ergebnisse lässt sich auch die beobachtete Blutungsneigung der Eskimos erklären, die Sinclair 1981 in einem Selbstversuch mit fischhaltiger Ernährung ebenfalls zeigte [356]. Das aus EPA hergestellte Leukotrien B5 weist im Vergleich zum LTB4 eine deutlich reduzierte chemotaktische Wirkung auf [357, 358]. Es konnte in vitro bereits nachgewiesen werden, dass PGE3 ein deutlich geringeres Potenzial zur Induktion einer IL-6-Sekretion in Makrophagen und einer COX-2-Expression in Fibroblasten besitzt als PGE2 [359]. In vivo wirkte eine Applikation von PGE3

weniger ödematisierend als PGE2 [360]. Über die stark reduzierten pro-inflammatorischen Eigenschaften der EPA-abhängigen Eicosanoide, die von mir nur beispielhaft in Auszügen angeführt wurden, lassen sich einige der gesundheitsfördernden Wirkungen von ω-3-FS erklären.

Außerdem sind auch Substanzen bekannt, die maßgeblich an der Beendigung von Entzündungsreaktionen beteiligt sind, ohne dabei eine Immunsuppression auszulösen [361].

Sie werden als „specialized pro-resolving lipid mediators“ (SPMs) bezeichnet, entstammen hauptsächlich einer Metabolisierung der ω-3-FS DHA, können aber auch aus EPA oder AA gebildet werden. Ihre Synthese erfolgt in vivo nur in geringen Mengen (pg – ng Bereich) und ihre Wirkung entfalten sie lokal an ihrem Produktionsort [361].

Mit Hilfe der 15-LOX wird DHA zur 17-(S) hydroxy Docosahexaensäure („17-(S) hydroxy docosahexaenoic acid“, 17(S)-HDHA) umgebaut. Als Zwischenprodukt entsteht dabei

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17 hydroperoxy Docosahexaensäure, die zu Protektin D1 umgesetzt werden kann [135, 362].

Protektin D1 wird als Neuroprotektin D1 bezeichnet, wenn es in neuronalem Gewebe synthetisiert wird. Durch die 5-LOX können aus 17(S)-HDHA Resolvine der D-Reihe (RvD) gebildet werden [136]. Von diesen sind bisher RvD1 bis RvD6 bekannt. Durch die humane 12-LOX kann DHA über einen Zwischenschritt auch zu Maresin umgebaut werden [363]. Von Maresin wurden bisher zwei Vertreter nachgewiesen.

EPA kann mit Hilfe des Enzyms Cytochrom P450 über den Zwischenschritt der 18-hydroxy Eicosapentaensäure zu den Resolvinen der E-Serie metabolisiert werden [364], von denen RvE1 bis RvE3 bekannt sind.

Auch aus der ω-6-FS AA können pro-entzündungsauflösende SPMs synthetisiert werden.

Dabei handelt es sich um Lipoxine [136]. Ein Wechsel zwischen der Synthese von pro-inflammatorischen Eicosanoiden zu den entzündungsauflösenden Lipoxinen wird auch als Klassenwechsel bezeichnet [135]. Dieser wird vermutlich durch PGE2 eingeleitet, indem es die Expression des 15-LOX-Gens induziert [365]. Außerdem weist 5-LOX zum Zeitpunkt der Beendigung der Entzündungsreaktion eine reduzierte Aktivität auf [365].

Es bleibt noch zu erwähnen, dass eine Anwendung von Aspirin zu einer acetylierten Form von COX-2 führt (aCOX-2) und über diese weitere Metabolisierungsmöglichkeiten entstehen.

Der aCOX-2 können AA, DHA und EPA als Substrat dienen. Dabei werden aber hauptsächlich Metaboliten in der R-Konformation gebildet, was eine Synthese von Prostaglandinen verhindert [366-368]. Stattdessen entstehen sogenannte Aspirin-getriggerte Lipoxine, Aspirin-getriggerte Resolvine und Aspirin-getriggerte Protektine [136, 367-369].

Diese weisen eine veränderte Konfiguration auf, besitzen aber ebenfalls eine pro-entzündungsauflösende Wirkung.

Es ist zu beachten, dass insbesondere für 12-LOX und 15-LOX starke speziesspezifische Unterschiede vorliegen [370]. Außerdem entspricht die leukozytäre 12-LOX der Maus der humanen 15-LOX Typ1 [371]. Beide weisen jeweils sowohl eine 12-LOX als auch 15-LOX Aktivität auf und werden auch als 12/15-LOX bezeichnet. Das noch recht junge Forschungsgebiet der SPMs wächst stetig. In Abbildung 4 ist der aktuelle Erkenntnisstand zur Eicosanoid- und Docosanoid-Synthese vereinfacht dargestellt. Insbesondere bei den durch die 12/15-LOX synthetisierten Metabolisierungen sind speziesspezifische Unterschiede nicht berücksichtigt worden.

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Abbildung 4: Stark vereinfachte schematische Darstellung der Synthese von Eicosanoiden und Docosanoiden in der Maus

Die ω-3- und ω-6-Fettsäuren (FS) sind Bestandteil der Phospholipide von Zellmembranen und werden durch die Phospholipase A2 freigesetzt. Aus Arachidonsäure (AA) und Eicosapentaensäure (EPA) werden Eicosanoide gebildet und aus Docosahexaensäure (DHA) Docosanoide. Prinzipiell konkurrieren die ω-3-FS EPA und DHA mit der ω-6-FS AA um die gleichen Enzymsysteme, Cyclooxygenasen (COXs) und Lipoxygenasen (LOXs). Durch COX-1 oder COX-2 wird AA zu Prostaglandinen (PG) der 2er-Reihe sowie Thromboxan A2 (TXA2) und durch 5-LOX zu Leukotrienen (LT) der 4er-Reihe umgebaut. Diese Metaboliten besitzen eine starke pro-inflammatorische Wirkung.

Es können aber auch „specialized pro-resolving lipid mediators“ (SPMs) bei einer enzymatischen Metabolisierung von AA entstehen. Lipoxin A4 (LXA4) bzw. LXB4 können auf unterschiedlichen Wegen durch die enzymatische Wirkung verschiedener LOX oder auch über Mitwirkung der acetylierten COX-2 (aCOX-2) synthetisiert werden. PG der 3er-Reihe, TXA3 und LT der 5er-Reihe werden aus EPA produziert, ebenfalls durch COX-1 oder COX-2 sowie 5-LOX. Unter Zuhilfenahme von Cytochrom P450 (CYP450) oder aCOX-2 entstehen aus EPA Zwischenprodukte, die durch 5-LOX zu Resolvin E1 (RvE1) – RvE3 umgebaut werden. DHA wird über 12/15-LOX zu Maresin (MaR1, MaR2) metabolisiert. Durch aCOX-2 oder 12/15-LOX entstehen aus DHA Zwischenprodukte, die mit Hilfe der 5-LOX zu Resolvin D1 (RvD1) – RvD6 metabolisiert werden können. Aus diesen Zwischenprodukten kann allerdings auch Protektin D1 (PD1) bzw. Neuroprotektin D1 (NPD1) entstehen. SPMs sind mit einem fetten Kasten gekennzeichnet. Es ist zu beachten, dass durch die Wirkung der aCOX-2 SPMs mit abweichender Konformation entstehen, was allerdings bei dieser schematischen Darstellung nicht berücksichtigt wurde. (Modifiziert nach [136, 372, 373]).

2 Die Bedeutung von ω-3-Fettsäuren für das Gehirn und Neuroinflammation Im Gehirn gehört über ein Drittel der vorhandenen FS zur Gruppe der mehrfach ungesättigten Fettsäuren („polyunsaturated fatty acids“, PUFAs) [374]. Davon machen AA und DHA den größten Anteil aus, weniger ihre Vorläufer LA und αLNA [374]. In den

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Zellmembranen des ZNS liegen ungefähr 50 % der PUFAs als DHA vor, wobei die höchsten DHA-Konzentrationen in Synapsen und Photorezeptorzellen zu finden sind [352]. DHA kann im Gehirn nicht synthetisiert werden, sondern wird in der Leber produziert und gelangt über die Zirkulation zum Gehirn [375]. Unverestertes DHA kann die BHS frei passieren oder über

„fatty acid transporter proteins“ (FATPs) in das Gehirn transportiert werden [376]. Für den Übertritt von veresterter Lysophosphatidylcholin-DHA wurde ebenfalls ein Transporter entdeckt. Dieses „major facilitator superfamily domain-containing protein 2“ (Mfsd2a) wird ausschließlich von Endothelzellen der BHS exprimiert und dient dem Transport von verschiedenen Lysophosphatidylcholin-PUFAs [377]. DHA wird eine große Bedeutung für das Wachstum, die Entwicklung und die Funktion des Gehirns zugesprochen. Es wirkt neuroprotektiv [378], fördert die Neurogenese [379] und die hippocampale Synaptogenese [380]. So ging eine reduzierte DHA-Konzentration im Gehirn von MfSd2a-defizienten Mäusen mit einer Mikroencephalie, kognitiven Defiziten, Angstzuständen und einer reduzierten Neuronenanzahl in Hippocampus und Cerebellum einher [377]. In Gehirnen von Alzheimer-Patienten sind ebenfalls reduzierte DHA-Konzentrationen in Korrelation zur Dauer der Erkrankung nachweisbar [381]. Im Gegensatz zu DHA liegt EPA im Gehirn nur in sehr geringen Konzentrationen vor und kumuliert dort nicht [352, 382].

Nachfolgend werden einige ausgewählte Ergebnisse zur Bedeutung von ω-3-FS in Bezug auf Neuroinflammation dargestellt.

In verschiedenen Studien wurde ein hemmender Effekt von DHA auf die Aktivität von Mikrogliazellen nachgewiesen. Dies ging beispielsweise mit einer reduzierten Produktion von pro-inflammatorischen Zytokinen wie TNFα, IL-6 und IL-1β einher [383-385]. Sowohl eine akute als auch chronische, über sechs Wochen täglich erfolgte, i.p. Injektion von DHA führten in einem Ischämie-Reperfusions-Modell der Ratte zu einer reduzierten Leukozyteninfiltration und einer geringeren IL-6 Expression in den betroffenen Gehirnarealen [386]. In einer humanen Studie wurde bei Freiwilligen durch eine zweimalige, sechsstündige intravenöse (i.v.) Applikation von Fischöl (48 und 24 Stunden vor LPS i.v.) LPS-induziertes Fieber und die Konzentration von TNFα im Plasma reduziert [387]. In einer anderen Untersuchung führte eine tägliche Substitution von ω-3-FS über einen Zeitraum von 3 – 4 Wochen ebenfalls zu vermindertem LPS-induziertem Fieber, allerdings zeigte sich dieser Unterschied erst vier Stunden post injectionem (p.i.). Die TNFα-Konzentrationen im Plasma der humanen Probanden blieben bei diesem Versuch unverändert [388]. Ferguson et al. (2014) verglichen die Wirkungen einer hohen Dosis von EPA und DHA (3600 mg/d, 6 – 8 Wochen) aus Fischöl sowie einer geringeren Dosis (900 mg/d, 6 - 8 Wochen) mit der eines

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Dosis des Fischöls verhindert werden und ging mit reduzierten Konzentrationen an zirkulierenden Zytokinen einher [389]. In Mäusen konnten die Symptome einer i.c.v.

Verabreichung von LPS durch unveresterte DHA reduziert werden [390]. Ein 23 %iger Anstieg der veresterten DHA-Phospholipide zeigte in diesen Versuchen hingegen keine protektive Wirkung gegenüber der akuten LPS-induzierten Neuroinflammation. Dennoch wurde ein Anstieg der veresterten DHA-Phospholipide als wichtige Quelle zur Freisetzung der unveresterten, entzündungsauflösend-wirkenden DHA postuliert [390]. Orr et al. (2013) machen für den beobachteten Effekt zumindest teilweise eine Metabolisierung von DHA zu SPMs (Neuroprotektin D1, Protektin D1) verantwortlich [390].

Neben der DHA-abhängigen Wirkung durch die Metabolisierung zu entzündungsauflösenden SPMs werden einige der Effekte auch direkt auf DHA zurückgeführt. In Splenozyten von Fat-1 Mäusen konnte unter anderem eine hemmende Wirkung auf die LPS-stimulierte NFκB-Aktivierung gezeigt werden [391]. Eine durch den Einbau von DHA in die Zellmembran gestörte Oberflächenpräsentation der LPS-Rezeptoren CD14 und TLR4 [385] kommt dafür ursächlich in Frage. Da auch SPMs eine der TLR4-Bindung nachgeschaltete NFkB-Aktivierung zu reduzieren vermögen [392, 393], könnten SPMs als Metaboliten der DHA allerdings ebenfalls zur Hemmung des NFκB-Signalweges beitragen.

3 Genauere Beschreibung der pro-entzündungsauflösenden Wirkung einiger