Bei verschiedenen spontanen Erkrankungen oder besonderen Reaktionszuständen wurde in Originalstudien beim Hund überwiegend eine oxidative Stressbelastung anhand erhöhter RSS-Aktivität und/oder Schäden an Lipiden, Proteinen und DNA und/oder – abgesehen von Tumoren – einer verminderter Konzentration antioxidativer Substanzen in Blut oder anderen Geweben nachgewiesen. Entsprechende Untersuchungsergebnisse liegen vor für verschiedene Tumoren, insbesondere Lymphome (SATO et al., 2003; WINTER et al., 2009) und Mammatumoren (SATO et al., 2003; SZCZUBIAL et al., 2004; KUMARAGURUPARAN et al., 2005), Herzerkrankungen wie dilatative Kardiomyopathie (FREEMAN et al., 1999; 2005;
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HETYEY et al., 2007) und Mitralklappenendokardiose (HETYEY et al., 2007), Niereninsuffizienz (KARGIN und FIDANCI, 2001; BURANAKARL et al., 2008), Diabetes mellitus (CHANSAISAKORN et al., 2009), immunvermittelte Anämie (PESILLO et al., 2004), Peridontitis (PAVLICA et al., 2004), Katarakt (BARROS et al., 1999) und Infektionsrekrankungen wie Leishmaniose (BILDIK et al., 2004), Hepatozoonose (KIRAL et al., 2005), Parvovirusenteritis (PANDA et al., 2009) und Sarkoptes-Räude (CAMKERTEN et al., 2009).
Während im Mammatumorgewebe eine signifikante Zunahme der Lipidhydroperoxid-, Dien-Konjugate- und TBARS-Konzentration gemessen wurde (KUMARAGURUPARAN et al., 2005), sind die Ergebnisse zu den Veränderungen im Blut uneinheitlich. In einer weiteren Studie zu Hunden mit Mammakarzinom war kein Unterschied für die Konzentrationen der TBARS und SH-Gruppen zwischen gesunden Hunden und Hunden mit benignen oder malignen Mammatumoren festzustellen (SZCZUBIAL et al., 2004); auch bei Lymphomen wurde kein erhöhter MDA-Spiegel gefunden, jedoch vermehrt Isoprostane (WINTER et al., 2009), was zu dem vermehrten Gehalt an Superoxid im Blut tumoröser Hunde wie in Gruppen mit Entzündungen passt (SATO et al., 2003). Interessanterweise zeigen die Studien verschiedener Autoren übereinstimmend im Tumorgewebe im Vergleich zum normalen Mammagewebe und im Blutplasma erhöhte antioxidativen Aktivitäten an, z.B. von SOD, Katalase, Glutathion-Peroxidase und Glutathion (KUMARAGURUPARAN et al., 2005) oder eine höhere Konzentration an SOD im Blutplasma bei Hunden mit Tumoren und eine erhöhte Glutathion-Peroxidase bei Tieren mit malignen Tumoren als die Kontrollgruppe (SZCZUBIAL et al., 2004). Hier spiegelt sich eine Überexpression von Antioxidantien durch Tumorzellen wider, die möglicherweise die Tumorzellen resistent gegen Angriffe zytotoxischer T-Zellen macht (KUMARAGURAPARAN et al., 2002; 2005).
Eine erhöhte Plasmakonzentration von MDA bei Hunden mit dilatativer Kardiomyopathie (FREEMAN et al., 1999) konnte in einer aktuellen Studie bei Hunden mit kongestivem Herzversagen durch dilatative Kardiomyopathie oder chronischen Herzklappenerkrankungen nicht bestätigt werden (FREEMAN et al., 2005). Uneinheitlich zeigten sich die Studienergebnisse auch hinsichtlich des Antioxidans Vitamin C, für das bei herzkranken Hunden verminderte (FREEMAN et al., 1999) oder sogar erhöhte Werte gemessen wurden (FREEMAN et al., 2005), während sich Glutathion und Glutathion-Peroxidase wie Vitamin E
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vermindert sowie Vitamin A und SOD unverändert zeigten (FREEMAN et al., 1999).
Allerdings war nur die Vitamin E-Konzantration negativ mit dem Schwergrad der Krankheit korreliert (FREEMAN et al., 1999). Globale antioxidative Kapazitäten zeigten sich bei herzkranken Hunden ebenfalls uneinheitlich von unverändert (Totale antioxidative Kapazität;
HETYEY et al., 2007) bis erhöht (Sauerstoff-Radikale Absorptions-Kapazität, FREEMAN et al., 2005; Eisen-reduzierende Eigenschaft des Plasmas, HETYEY et al., 2007).
In den zwei Arbeiten zum oxidativen Stress bei Niereninsuffizienz wurden übereinstimmend erhöhte Plasma-MDA-Werte gefunden (KARGIN und FIDANCI, 2001; BURANAKARL et al., 2008) sowie auch erhöhte MDA-Werte im Urin (BURANAKARL et al., 2008).
Abgesehen von β-Karotin waren bei KARGIN und FIDANCI (2001) die antioxidativen Substanzen (Glutathion-Peroxidase, SOD, Katalase und Vitamin C) im Blut niereninsuffizienter Hunde vermindert, während BURANAKARL et al. (2008) erhöhte Glutathion- und Katalase-Werte fanden.
In einer aktuellen Studie wurde bei klinisch kranken Hunden im Vergleich zu gesunden Kontrollen eine reduzierte Konzentration des Antioxidans Glutathion in den Erythrozyten nachgewiesen sowie eine negative Korrelation zum Schweregrad der Erkrankung und der Letalität, allerdings war die Patientengruppe älter als die gesunde Kontrollgruppe (VIVIANO et al., 2009). Erstaunlicherweise wurde in dieser Studie bei klinisch kranken Katze eine erhöhte Konzentration des Antioxidans Vitamin C im Vergleich zur Kontrollgruppe gefunden.
Noch zahlreicher sind die Studien zum Hund, bei denen Messgrößen des oxidativen Stresses bei experimentell induzierten Krankheitszuständen oder isolierten caninen Organen untersucht wurden. Dies betrifft auch wieder das Herz mit experimentell induzierten Herzinsuffzienzen (GU et al., 2003; CHEN et al., 2005; ZHANG et al., 2009; u.a.), Lungenerkrankungen wie eine akute Lungenembolie und pulmonäre Hypertension (DIAS-JUNIOR et al., 2005; DIAS-(DIAS-JUNIOR et al., 2009), Mekoniumaspirations-Syndrom (KIRIMI et al., 2003) und die Inhalation von Allergenen (STEVENS et al., 1995), experimentell induzierte Pankreatitis (KELEMEN und TÖRÖK, 1990; SHABANOV et al., 2002), ischämische Niereninsuffizienz (KONYA et al., 1990; KONYA et al., 1991), akute bakterielle Zystitis (ALVES et al., 2004), Diabetes Mellitus (VAJDOVICH et al., 1993; AMMAR et al., 2000), Arthritis (GORANOV, 2007), Selen-induzierte DNA-Schäden an der Prostata (WATERS et al., 2003; WATERS et al., 2005; WATERS et al., 2007), Operations-Trauma
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(MUTINATI et al., 2007) und hämorrhagischer Schock (PRASAD et al., 1988; KAPOOR und PRASAD, 1995; AHUJA et al., 2001).
Am Herzen wurden die Konzentrationen von Messgrößen des oxidativen Stresses, ihre pathophysiologischen Effekte und Wirkung von Antioxidantien in vielfältigen Modellen untersucht. Dies betraf z.B. die Simulation von Herzinfarkten bzw. der Reperfusion nach Ischämie durch Coronargefäßligaturen (RÖTH et al., 1985; TÖRÖK et al., 1986; LANTOS et al., 2001) oder ein durch Herzschrittmacher ausgelöstes Tachykardie-bedingtes Herzversagen (SRIVASTAVA et al., 2002; CHEN et al., 2005; ZHANG et al., 2009). Sowohl bei ischämischen Situationen als auch bei induziertem Herzversagen zeigten sich erhöhte MDA- bzw. TBARS-Werte, erhöhte RSS-Konzentrationen und/oder verminderte Konzentrationen antioxidativer Substanzen im Gewebe und/oder Blutplasma (RÖTH et al., 1985; TÖRÖK et al., 1986; IKEDA et al., 1994; PRASAD et al., 1996; CHENG et al., 1999; LANTOS et al., 2001; SRIVASTAVA et al., 2002; GU et al., 2003; CHEN et al., 2005; ZHANG et al., 2009).
Hierbei ließ sich die antioxidative Wirkung von Vitamin E (PRASAD et al., 1996), einem Dihydroquinolintyp-Antioxidans (TÖRÖK et al., 1986), N-Acetylcystein (GU et al., 2003) und Aldose-Reduktase (SRIVASTAVA et al., 2002) nachweisen. In einer anderen Studie wurde untersucht, inwieweit sich peripheres Venenblut als Medium zur Untersuchung von Messgrößen des oxidativen Stresses im Herzen eignet. Hier zeigte sich, dass die Abnahme der stimulierten Radikalproduktion durch isolierte Neutrophile nach Reperfusion im peripheren Blut gegenüber dem Coronarblut erst verzögert sichtbar war (LANTOS et al., 2001).
In einer interessanten Studie wurde nachgewiesen, dass bronchoalveläre Lavagezellen nach Allergen-induzierter Hypersensibilisierung der Atemwege vermehrt Superoxid produzieren und freisetzen, womit Sauerstoffradikale einen wichtigen Faktor bei der Entstehung der Allergen-induzierten Hypersensibilität der Atemwege darzustellen scheinen (STEVENS et al., 1995).
Der Einfluss verschiedener Antibiotikabehandlungen (Amoxicillin, Benzylpenicillin/
Streptomycin, Sulfonamide, Enrofloxacin, Lincomycin/Spectinomycin) auf die RSS-Bildung wurde bei insgesamt 60 Hündinnen bis zum vierten Tag nach einer Ovarioektemie untersucht (MUTINATI et al., 2007), wobei für Enrofloxacin die deutlichsten Erhöhungen und für Amoxicillin und Lincomycin/Spectinomycin die geringsten Effekte nachweisbar waren. In Experimenten mit Gentamycin-assoziierter Nephrotoxizität wurde einerseits anhand von
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erhöhten MDA-Spiegeln und verminderten Plasmaspiegeln von Antioxidantien (ß-Karotin, Vitamin E, Glutathion [ERTEKIN et al., 2003] oder Gesamtserum-Antioxidantien-Aktivität [VARZI et al., 2007]) das Vorliegen von oxidativem Stress nachgewiesen. Zudem ließ sich der protektive Effekt von Antioxidantien einschließlich einer hiermit assoziierten verminderten Kreatinin-Konzentration demonstrieren (VARZI et al., 2007).
Andere Studien untersuchten Messgrößen des oxidativen Stresses in caninen Spermien in vivo (HATAMOTO et al., 2006) und in vitro (CASSANI et al., 2005). Hierbei fand sich u.a. eine negative Korrelation zwischen SOD-ähnlicher Aktivität und LPO-Aktivität in Spermatozoen (CASSANI et al., 2005). Nach Stress-imitierender Dexamathesongabe fand sich eine erhöhte TBARS-Konzentration im Seminalplasma während Vitamin E-Supplementierung hingegen die TBARS-Konzentration im Seminalplasma reduzierte (HATAMOTO et al., 2006).
Umfangreiche Studien zum oxidativen Stress wurden auch an isolierten Organen (Niere) (McANULTY und HUANG, 1996) und Hundezellkulturen durchgeführt, z.B. Pankreaszellen (SANFEY et al., 1984), Chondrozyten (SEOL et al., 2009), Retinaepithel (ZAPATA et al., 2008) und Tumorzellen (WADA et al., 2005).
In Tracheaepithelzellkulturen wurde z.B. die Superoxidbildung bei der Metabolisiserung verschiedener Xenobiotika untersucht (ROSEN et al., 1989). Der antioxidative Effekt von Vitamin E auf die durch Fe+2-Ascorbate induzierte LPO in den caninen Retinazellen zeigte eine 8-fache Verminderung der TBARS-Konzentration und entsprechend 8-fach höhere Konzentration Docosahexaen-Säure (ZAPATA et al., 2008).
In einer Studie, in der kultivierte Erythrozyten mit Babesia gibsoni infiziert wurden, zeigte sich eine signifikant höhere Superoxid-Produktion und höhere TBARS-Konzentration als bei nicht infizierten Erytrozyten (OTSUKA et al., 2001). Dies deckt sich mit Studien von MURASE et al. (1996), die canine Erythrozyten zusammen mit Babesia gibsoni kultivierten und ebenfalls einen Anstieg der MDA-Konzentration messen konnten. Weitere Experimente zum infektiös ausgelösten oxidativen Stress in der Zellkultur wurden mittels Staupeinfektion der Kultur von Oligodendrozyten (BÜRGE et al., 1989; GRIOT et al., 1990) durchgeführt.
Auch bei Hunden, die experimentell einer körperlichen Belastung ausgesetzt wurden, stiegen Marker der vermehrten Oxidation an und nahm die antioxidative Kapazität ab (MARSHALL et al., 2002). Vergleichende Untersuchungen der RSS-Messungen in Aorta und Coronarsinus
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(TRAVERSE et al., 2006) zeigten, dass der Herz- im Gegensatz zum Skelettmuskel hierzu nicht wesentlich beiträgt.
Bei trächtigen Hündinnen war im Vergleich zu nicht-tragenden Tieren eine verminderte Konzentration verschiedener Antioxidantien wie Vitamin A und E festzustellen, jedoch bestand kein Unterschied bei oxidativen Stressmarkern wie TBARS und Protein-Carbonyl (VANNUCCHI et al., 2007).
Gut untersucht ist auch die Zunahme von Indikatoren des oxidativen Stresses (z.B.
Messgrößen der Protein- und Lipidperoxidation, DNA-Schäden) und die Abnahme der AOK bei älteren Hunden im Vergleich zu jungen Hunden, die mit für die Entstehung altersbedingter Erkrankungen verantwortlich gemacht wird (VAJDOVICH et al., 1997;
KEARNS et al., 1999; SHEN et al., 2001; HEAD et al., 2002; HEATON et al., 2002a; 2002b;
WEDEKIND et al., 2002; BLOUNT et al., 2004; STOWE et al., 2006).
Die erhebliche Bedeutung, die dem oxidativen Stress in der Humanmedizin bei der Pathogenese verschiedenster Erkrankungen beigemessen wird, zeigt sich an einer im Vergleich zum Hund noch wesentlich umfangreicheren Zahl an Übersichtsarbeiten (AMES et al., 1993; STADTMAN und LEVINE, 2000; YOUNG und WOODSIDE, 2001;
CHIHUAILAF et al., 2002; KAWANISHI et al., 2002; COOKE et al., 2003; DALLE-DONNE et al., 2003; SAYRE et al., 2008) und Originalstudien. Das weite Spektrum an Erkrankungen, für die Originalstudien vorliegen, schließt die chronische Pankreatitis (VERLAAN et al., 2006), Herzerkrankungen (COLLINS et al., 1998; RIGATTIERI et al., 1999; NOJIRI et al., 2001), Lungenerkrankungen wie Asthma (ANTCZAK et al., 1997), chronisch-obstruktive Lungenerkrankungen (NOWAK et al., 1999; NADEEM et al., 2005) und akuter Lungenschädigung (KOOY et al., 1995), die Chlamydien-Infektion (BENZER und KILIC, 2006), Psoriasis (SEVERIN et al., 1998), Retinopathien (KRETZER et al., 1984) und Tumorerkrankungen (OAKLEY et al., 1996; KUMARAGURUPARAN et al., 2002; 2002a) wie das multiple Myelom (BOLAMAN et al., 2000) ein. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Rolle des oxidativen Stresses bei der Pathogenese von chronischen und degenerativen Erkrankungen zuteil, insbesondere bei Alzheimer-Krankheit (CHIA et al., 1984; PEREZ-GARCIA et al., 2009), Atherosklerose (NYYSSÖNEN et al., 1997; URSINI et al., 1998), rheumatoiden Arthritis (RAMOS et al., 2000; HAGFORS et al., 2003; VASANTHI et al., 2004), Osteoarthritis (OSTALOWSKA et al., 2006) und dem Diabetes mellitus (NISHIGAKI
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et al., 1981; STAPRÄNS et al., 1999; VARVAROVSKA et al., 2003: SONG et al., 2007).
Bei der Pathogenese der Atherosklerose, zum Beispiel, wird oxidativ modifizierten Lipoproteinen mit geringer Dichte eine erhebliche Bedeutung beigemessen (ESTERBAUER et al., 1992; PARTHASARATHY et al., 1992; ITABE, 1998), da hierdurch vermehrt schaumige Makrophagen entstehen, die weitere Makrophagen anlocken und eine Entzündung unterhalten (PARTHASARATHY et al., 1992; CARPENTER et al., 1995). Die von Gewebe-Makrophagen gebildeten Sauerstoffradikale sowie Lipoxygenasen oxidieren ungesättigte Fettsäuren und Apolipoproteine (PARTHASARATHY et al., 1992; JÜRGENS et al., 1993;
CARPENTER et al., 1995). Dies wird dadurch begünstigt, dass in der Gefäßintima im Gegensatz zum Blut nur ein geringer antioxidativer Schutz besteht (ESTERBAUER et al., 1992; JÜRGENS et al., 1993).
Weitere physiologische und pathophysiologische Zustände, bei denen beim Menschen Untersuchungen zum oxidativen Stress erfolgten sind Alterung (KASAPOGLU und ÖZBEN, 2001; MENDOZA-NUNEZ et al., 2001), UV-Schäden (PETERSEN et al., 2000), körperliche Anstrengung (DAVIES et al., 1982; VIGUIE et al., 1993; HONG et al., 2008), Hypertriglyzeridämie (ROSENSON et al., 2007), die Beziehung zwischen RSS-Schäden an Spermien und Spermien-Abnormalitäten sowie Unfruchtbarkeit (FRAGA et al., 1991) und die Auswirkung der Therapie mit verschiedenen Medikamenten (Ciprofloxacin: GÜRBAY et al., 2001; Acetaminophen: KNIGHT et al., 2001).
2.4.1 Oxidativer Stress und Narkose
In zahlreichen Studien bei Hunden und anderen Tieren sowie Menschen wurde gezeigt, dass Narkosemittel im Körper RSS produzieren können, die RSS-Schäden (Lipide, Proteine und DNA) induzieren und dadurch zelltoxisch und mutagen wirken (El-BASSIOUNI et al., 1998;
SARDAS et al., 1998; NAZIROGLU und GÜNAY, 1999; KARABIYIK et al., 2001;
ALLEVA et al., 2003; TOPAL et al., 2003; BEZERRA et al., 2004; SCHMIDT et al., 2004;
SIMEONOVA et al., 2004; APAYDIN und KOC, 2005; KIM et al., 2006; SARDAS et al., 2006; WONG et al., 2006).
In experimentellen Studien am Hund ist besonders gut die Halothannarkose untersucht worden, wo in verschiedenen Studien eine Erhöhung von MDA bzw. der
TBARS-29
Konzentration im Blut und teilweise in der Leber (El-BASSIOUNI et al., 1998; YAMAZOE et al., 1998; SIMEONOVA et al., 2004) sowie eine verminderte Konzentration verschiedener Messgrößen der antioxidativen Abwehr wie SOD, Glutathion-Peroxidase, Vitamin E und C (El-BASSIOUNI et al., 1998; YAMAZOE et al., 1998) festgestellt wurden. El-BASSIOUNI et al. (1998) und YAMAZOE et al. (1998) haben vergleichend Untersuchungen unter hypoxischen Bedingungen durchgeführt und dabei einen stärkeren Anstieg der MDA-Konzentration in Plasma- und Leberproben festgestellt, sodass die antioxidative Abwehr in der Leber bei der verstärkten Bildung von RSS unter hypoxischen Bedingungen nicht ausreichend ist (El-BASSIOUNI et al., 1998). In einer weiteren Studie beim Hund wurde drei unterschiedliche Narkoseprotokolle verglichen (SIMEONOVA et al., 2004). Bei den beiden Allgemeinnarkosen, die nach jeweils einheitlicher Prämedikation einmal mit Halothan und zum anderen mit einer Kombination aus Halothan, Fentanyl, Pancuronium und Galantamin durchgeführt wurden, wurden höhere TBARS-Werte als bei einem tierschutzrechtlich bedenklichen dritten Protokoll mit Epiduralanästhesie gemessen (SIMEONOVA et al., 2004).
Auch unter Enfluran-Narkose wurde beim Hund ein Anstieg der Plasma-MDA-Konzentration festgestellt und verminderte Konzentrationen antioxidativer Abwehrsubstanzen wie Glutation-Peroxidase, Vitamin E, beta-Carotin, die sich nach einer Woche normalisierten (NAZIROGLU und GÜNAY, 1999). Ein interessanter Befund in dieser Studie war, dass sich die Vitamin A-Konzentration während der Narkose erhöhte. Da Vitamin A fettlöslich ist, ist dieser Befund vermutlich im Zusamenhang mit der erhöhten Fettmobilisierung des Körpers unter den Bedingungen von Energiemangel und Hypothermie während der Narkose zu sehen (BAY et al., 1968; NAZIROGLU und GÜNAY, 1998).
Auch beim Menschen ließen sich bei Inhalationsnarkosen mit verschiedenen Narkosegasen erhöhte MDA-Werte (TÜRKAN et al., 2004; SARDAS et al., 2006; SIVACI et al., 2006), DNA-Schäden mit Komet-Test (SARDAS et al., 2006) und verminderte Konzentrationen antioxidativer Substanzen nachweisen (TÜRKAN et al., 2004; SARDAS et al., 2006). Hier deutet sich eine durch Halothan und/oder Isofluran bzw. deren Metaboliten ausgelöste Schädigung an der N-7 Position der Purine an, die durch die Alkali-labile Modifikation beim Komet-test nachgewiesen wird (ALLEVA et al., 2003). Als weitere mögliche Begründung für die DNA-Schäden durch Halothan und/oder Isofluran wird angeführt, dass bei der
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Verstoffwechselung der Metaboliten der Inhalationsnarkotika durch Oxidation oder Reduktion weitere RSS entstehen (ALLEVA et al., 2003).
Die Auswirkungen verschiedener Inhalationsnarkotika (Isofluran, Sevofluran, Desfluran, Halothan und Ether) auf Messgrößen des oxidativen Stresses wurde auch in verschiedenen Tierversuchen an Ratte, Kaninchen und Schwein untersucht. Auch hier zeigten sich ein Anstieg der MDA- bzw. TBARS-Konzentration im Plasma sowie erhöhte DNA-Schäden (LIU et al., 1993; YESILKAYA et al., 1998; ALLAOUCHICHE et al., 2001; KIM et al., 2006). In einer Untersuchung zum Isofluran wurde zudem bei Ratten eine erhöhte Konzentration von Protein-Carbonylen als Indikator der oxidativen Proteinschädigung nachgewiesen (KIM et al., 2006). In den meisten Studien wurden parallel auch Substanzen der antioxidativen Abwehr wie Glutathion, SOD-Konzentration, Katalase, Glutathion-Peroxidase gemessen, jeweils in verminderter Konzentration (LIU et al., 1993; YESILKAYA et al., 1998; ALLAOUCHICHE et al., 2001).
Schließlich liegen Ergebnisse aus Studien an Zellkulturen für verschiedene Inhalationsnarkotika (Isofluran und Sevofluran) und Injektionsnarkotika (Propofol, Thiopental und Droperidol) vor. Hier konnte neben einem Anstieg von LPO, erhöhten DNA-Schäden (ACQUAVIVA et al., 2004; DELOGU et al., 2004; WANG et al., 2008) und Zytotoxizität (WANG et al., 2008), direkt die verstärkte Bildung von RSS nachgewiesen werden (DELOGU et al., 2004; WANG et al., 2008). In einer vergleichenden Zellkultur-Studie zeigten sich deutlich stärkere Effekte (RSS-Bildung, Zytotoxizität) für Sevofluran als für Isofluran (WANG et al., 2008).
2.5 Ausgewählte analytische Methoden zur Untersuchung des oxidativen Stresses und