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Die
Erfindung betrifft die Verwendung eines Proteasom-Inhibitors zur
Vorbeugung und Behandlung von myokardialer Hypatrophie.
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Hintergrund
der Erfindung ist das sogenannte Ubiquitin-Proteasom-System. Das
Ubiquitin-Proteasom-System ist eine der zentralen Protein-Abbau-Maschinerien
der Zelle und ist wesentlich z.B. beim Abbau falsch gefalteter Proteine,
bei der Degradation wichtiger regulatorischer Proteine des Zellzyklus,
z. B. von Cyclinen, sowie bei der Kontrolle von Transkriptionsfaktoren,
wie etwa bei der Aktivierung von NF kappa B (NFκB), beteiligt (Coux et al.,
1996, zur Übersicht).
Weiterhin kommt dem Proteasom eine wichtige Rolle in der MHC I-vermittelten
Antigen-Präsentation
zu (Groettrup et al., 1996; zur Übersicht).
Der selektive Abbau proteasomaler Substrate wird über die
kovalente Bindung von Ketten multipler Ubiquitinmoleküle vermittelt,
die als Erkennungssignal für
das Proteasom dienen (Varshavsky, 1997). Bislang wurde zwar das
Ubiquitin-Proteasom-Systems ausgiebigst untersucht, jedoch nicht
in Zusammenhang mit kardiologisch relevanten Indikationen.
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Da
etwa 90% der zellulären
Proteine Substrat des Ubiquitin-Proteasom-Systems sind, macht die zentrale
Rolle in unterschiedlichsten Stimulations- und Regulationsvorgängen diesen
Komplex zu einen interessanten Angriffspunkt bei der Kontrolle z.
B. von
- • der
zellulären
Proliferation (Restenose nach Katheterinterventionen, Bindegewebsvermehrung im
Herzmuskel und Gefäßen)
- • inflammatorischen
Prozesse (z. B. Atherogenese, entzündliche Herzmuskelerkrankungen)
- • der
Up-, und Downregulation zellulärer
Proteine (z. B. Calcium-regulierende Proteine des Herzmuskels)
- • der
Halbwertszeit struktureller Proteine (myokardiale Hypertrophie und
Regression)
- • Herzkreislauf-protektiver
Faktoren (z. B. Hitzeschockproteine)
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Ausgehend
davon ist es daher Aufgabe der Erfindung ein neues pharmazeutisch
wirksames Mittel zu schaffen und zur Verfügung zu stellen, welches bei
kardiologi schen Indikationen, nämlich
bei myokardialer Hypertrophie, verwendet wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale.
Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen
wird ein pharmazeutisch wirksames Mittel zur Verwendung bei der Vorbeugung
und Behandlung von myokardialer Hypertrophie geschaffen, wobei das
Mittel eine wirksame Menge Proteasom-Inhibitoren enthält. Mit
dem Mittel kann
- A) die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
zur Verhinderung der Restenose nach Katheterinterventionen an Gefäßen,
- B) die Regulation des Ubiquitin-Proteasom-Systems zur Verhinderung
der Aus bildung von Hypertrophie und Förderung der Rückbildung
einer bereits ent
- wickelten Hypertrophie des Herzmuskels, sowie
- C) die Regulation des Ubiquitin-Proteasom-Systems zur Kardioprotektion
durch Induktion von Hitzeschockproteinen
erreicht werden.
Der Hintergrund der Erfindung kann hierzu wie folgt dargestellt
werden:
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ad A) Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems zur
Verhinderung der Restenose nach Katheterinterventionen an Gefäßen
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Erfolgreiche
Therapieansätze
bei kardiovaskulären
Erkrankungen sind katheterinterventionelle Revaskularisierungsmaßnahmen
bei verschlossenen oder fluidynamisch kritisch verengten Gefäßen mittels
percutaner transluminaler (koronarer) Angioplastie, Laserangioplastie,
direkter Atherektomie, Rotablation ohne oder in Kombination mit
der Implantation von Stents Bei 30-50% der katheterinterventionell
behandelten Patienten kommt es jedoch zu einer erneuten, fluidynamisch
relevanten Gefäßlumeneinengung
innerhalb von 12 Monaten nach Intervention. Diese sogenannte Restenose
wird ausgelöst
durch die Verletzung der Gefäßschichten
durch den Interventionsvorgang während
der Angioplastie und ist charakterisiert durch den Umbau des Gefäßes (vascular
remodeling) mit Ausbildung einer Neointima aus glatten Gefäßmuskelzellen
(VSMCs).
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Die
Ausbildung der Neointima wird ausgelöst durch eine initiale Entzündungsreaktion
nach Intervention und durch die nachfolgende Hyperproliferation
glatter Muskelzellen (Landzberg et al., 1997).
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Es
ist bekannt, dass regulatorische Proteine des Zellzyklus in ihrer
Stabilität
und damit Aktivität durch
das Proteasom reguliert werden (Rolfe et al., 1997, zur Übersicht).
Die Inhibition des Proteasoms durch spezifische Proteasom-Inhibitoren
führt zur
Akkumulation dieser Proteine in unterschiedlichen Phasen des Zellzyklus
und induziert die Arretierung des Zellzyklus und möglicherweise
Apoptose (Glotzer et al., 1991; Pagano et al., 1995; Grimm et al.,
1996; Maki et al., 1996; Drexler, 1997). Als effektive Inhibitoren
von VSMCs sind Proteasom-Inhibitoren geeignet, das hyperplastische
Wachstum glatter Gefäßmuskelzellen
zu blockieren. In der Tumorforschung wurden Proteasom-Inhibitoren
bereits erfolgreich im Tiermodell getestet: So führte die einmalige subcutane
Injektion eines Peptid-Proteasom-Inhibitors zu einem verminderten
Tumorwachstum in Nacktmäusen, verbunden
mit einer erhöhten
Apoptoserate in diesen Tumoren (Orlowski et al., 1998). Der anti-proliferative Effekt
von Proteasom-Inhibitoren ist möglicherweise direkt
gekoppelt mit der Induktion von Apoptose (Lopes et al., 1997).
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Daneben
ist das Proteasom essentiell für
die Degradation kurzlebiger Signaltransduktoren und die Regulation
von Transkriptionsfaktoren wie beispielsweise NF kappa B (Treffer
et al., 1994). Die Aktivierung von NFκB wird durch unterschiedlichste
inflammatorische Cytokine ausgelöst
und führt
zur Expression einer Reihe von Genen, die an spezifischen Immunantworten
und entzündlichen
Reaktionen beteiligt sind. (Baldwin, 1996; Scheidereit, 1998, zur Übersicht).
Solche NFκB-vermittelten
inflammatorischen Reaktionen lassen sich durch Proteasom-Inhibitoren
vollständig
blockieren (Read et al., 1995). Dies lässt den Einsatz spezifischer
Proteasom-Inhibitoren
auch bei Restenose attraktiv erscheinen. Eine Aktivierung von NFκB wird in
Leukozyten, VSMCs und möglicherweise
auch Thrombozyten durch Stimulation der Zellen mit inflammatorischen
Cytokinen (e.g. TNFα),
Wachstumsfaktoren (e.g. PDGF), Thrombin oder αvβ3 Integrinbindung
ausgelöst
(Orlashaw et al., 1992; Baldwin 1996; Maruyama et al., 1997; Scatena
et al., 1998). Durch einen gezielten Einsatz von Proteasom-Inhibitoren
kann diese Aktivierung blockiert und folglich die lokale Entzündungskaskade
unterbrochen und die anti-apoptotischen, protektiven Effekte von
NFκB aufgehoben
werden. Die spezifische Inhibition von NFκB mittels antisense-Oligonukleotiden
führte
tatsächlich
zu einer verminderten Neointima-Ausbildung
im Restenosemodell der Ratte (Autieri et al., 1995).
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Bei
den Proteasom-Inhibitoren handelt es sich meist um synthetische
Peptid-Aldehyde
(z. B. MG132), die unterschiedliche Peptidase-Aktivitäten des
Proteasoms reversibel inhibieren, aber auch Iysosomale und Calcium-aktivierte
Proteasen blockieren können
(Goldberg et al., 1997). Der natürlich vorkommende
Inhibitor Lactacystin modifiziert und inhibiert irreversibel bestimmte
katalytische Zentren des Proteasoms (Fenteany & Schreiber, 1998).
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ad B): Regulation des
Ubiquitin-Proteasom-Systems zur Verhinderung der Ausbildung von
Hypertrophie und Förderung
der Rückbildung
einer bereits entwickelten Hypertrophie des Herzmuskels
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Hypertrophie
bezeichnet die Volumenzunahme der Herzmuskelzelle, ohne dass eine
Zellteilung stattfindet. Hypertrophie ist die uniforme Antwort der Herzmuskelzelle
auf Überlast-
und Stressbedingungen unterschiedlicher Genese wie Myokardinfarkt, arterielle
Hypertonie, angeborene und erworbene Herzklappenfehler, exogene
Noxen wie Alkohol, Virusinfektionen und andere Stressoren. Neben
den morphologischen Veränderungen
kommt es zu einem Shift im Genexpressionsprogramm hin zu fötalen Formen
(Übersicht
in Schaub, 1997). Während
initial die Hypertrophie zu einer Zunahme der Pumpleistung führt, überwiegen
im weiteren Verlauf die negativen Aspekte im Sinne einer ungünstigeren
Energiebilanz des Herzmuskels mit konsekutiver Entwicklung hin zur
Pumpinsuffizienz und erhöhten
Neigung zu tödlichen
Herzrhythmusstörungen
(Übersicht
in McKinsey 1999). In epidemiologischen Studien wurde die Myokardhypertrophie
entsprechend als Risikofaktor des plötzlichen Herztodes mit einem
3 bis 8 fachem Exzessrisiko identifiziert (Aronow 1987, messerli
1999); In der Framinghamstudie stellt die Hypertrophie zusätzlich einen
eigenständigen
Risikofaktor für
koronare Ereignisse wie Infarkte dar (Kannel 2000).
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Die
kardiale Hypertrophie ist zum Teil autokrin/parakrin vermittelt,
sie wird über
mehrere unabhängige
Signaltransduktionswege mediiert (Übersichten in Schaub 1997;
McKinsey 1999):
- • G-Protein gekoppelte Signaltransduktion
Darunter
firmieren seven-pass Membranrezeptoren, zu denen α1-β1-adrenerge Rezeptoren,
der Endothelin-1 Rezeptor und der Angiotensin II Rezeptor gehören. Der β1-adrenerge
Rezeptor vermittelt über
stimulatorische G-Proteine, über
die Adenlyatzyklase und über
die Proteinkinase A Hypertrophie-induzierende Signale, bei den anderen Rezeptoren
läuft die
Signaltransduktion über Phospholipase
C, Phosphokinase C, MAP Kinasen zu GTP bindenden Proteinen.
- • Signaltransduktion über MAP
Kinasen
Darunter werden drei Wege subsumiert, die nach der
jeweils terminalen Kinase bezeichet sind:
– extracellular signal-regulated
protein kinase (ERK),
– c-Jun
amino-terminal kinase (JNK), und
– p38 Kinase (p38)
mediierte
Signaltransduktion. In diese Wege münden hypertrophe Stimuli über unterschiedliche Rezeptoren
ein: Zytokine wie Interleukin 1 b über den Zytokinrezeptor, Wachstumsfaktoren
wie insulin-like growth factor über
die Rezeptor Thyrosin Kinase, transforming growth factor über die Rezeptor
Serin/Threonin Kinase.
- • Signaltransduktion über nukleäre Rezeptoren
Diesen
Weg bedient Trijodthyronin, das über
den nukleären
T3 Rezeptor seine Hypertrophie-induzierende Wirkung entwickelt.
Der T3-Rezeptor bindet ohne weitere zwischengeschaltete Signalmediatoren
direkt an die Target-DNA.
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ad C): Regulation des
Ubiquitin-Proteasom-Systems zur Kardioprotektion durch Induktion
von Hitzeschockproteinen
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Die
Synthese von Hitzeschockproteinen (HSP) ist eine generalisierte
Reaktionsform der Zelle zur ihrer eigenen Protektion gegen unterschiedlichste
exogene und endogene Noxen und Stressoren wie thermische, mechanische,
chemische Belastung, Sauerstoffmangel, Sauerstoffradikale und andere (Übersicht
in Benjamin 1998, Freeman 1999, Sarto 2000). Mit HSP110, 90, 70,
60 und 27 sind wenigstens fünf
größere HSP-Familien
bekannt. Je nach Familie sind eine Reihe von Funktionen wie Translationsregulation,
Chaperonfunktionen, Proteintransport, Proteolyse, Proteinfaltung,
Verhinderung der Aggregation, Reaktivierung denaturierter Proteine und
andere beschrieben (Übersicht
in Benjamin 1998, Freeman 1999). Aus den vielfältigen HSP-Funktionen resultiert
eine erhöhte
Toleranz der Zelle gegen Stressituationen, wie sie bei Sauerstoffmangel
oder bei Einwirkung von Sauerstoffradikalen entstehen.
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In
der kardiovaskulären
Medizin gibt es eine Reihe von Situationen, in denen ein erhöhter zellulärer Schutz
vor einem myokardialen Stressereignis von großer Bedeutung ist, insbesondere
vor herzchirurgischen Eingriffen gegen das Operationstrauma und
die Kardioplegie, beim akutem Myokardinfarkt gegen die Sauerstoffmangelversorgung
und den Ischämie/Repertusionsschaden
nach Wiedereröffnung des
infarktbezogenen Gefäßes oder
bei Herzinsuffizienz, bei der verschiedene Stressoren wie mechanische Überlast
oder die vermehrte Bildung von Sauerstoffradikalen das Herz schädigen. Zur
Kardioprotektion wurde ein Präkonditionieren
des Myokards durch ischämische
Stimuli oder durch pharmakologische Interventionen wie Adenosin,
Aprikalin, Trijodthyronin und andere vorgeschlagen Infarktgefäßes (Übersichten
in Spinale 1999, Rubino 2000).
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In
Saccharomyces cerevisiae konnte gezeigt werden, dass, dass HSPs
pharmakologisch durch die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
induziert werden können
(Lee 1998).
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Die
Erfindung sieht demnach die Verwendung eines pharmazeutisch wirksamen
Mittels zur Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems zur Verwendung
oder Behandlung von myokardialer Hypertrophie vor. Dieses Mittel
ist in jedweder Applikationsform einsetzbar, d.h. lokale orale systemische
(intravenöse,
intraarterielle) Applikationen sind bevorzugt. Es handelt sich um
pharmakologisch wirksame Hemmstoffe, wobei bevorzugt eine Hemmung
durch Gen-Knockout von Systemkomponenten des Ubiquitin-Proteasom-Systems
stattfindet und/oder eine Überexpression
von Inhibitoren des Ubiquitin-Proteasom-Systems. Das Mittel eignet
sich
- • zur
Prophylaxe, Abschwächung
oder Verhinderung der Restenose; bevorzugt ist dabei ein Gabe des
erfindungsgemäßen Mittels
vor, während und/oder
nach katheterinterventionellen Eingriffen.
- • zur
Verringerung oder Verhinderung von Akut- und Spätkomplikationen während und
nach Katheterinterventionen; bevorzugt ist dabei ein Gabe des erfindungsgemäßen Mittels
vor, während und/oder
nach katheterinterventionellen Eingriffen.
- • zur
Prophylaxe und Therapie von Gefäßwandveränderungen
mit entzündlicher
Komponente, insbesondere von akuten koronaren Syndromen.
- • erfindungsgemäß zur Verhinderung
der Ausbildung der Hypertrophie durch gleichzeitige Inhibition des
Ubiquitin-Proteasom-Systems. Die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systenis
zur Prophylaxe und bei Beginn von Erkrankungen, die mit hypertrophen
Stimuli für
Herz und Gefäße einhergehen,
insbesondere ar terielle Hypertonie, Beginn einer Herzinsuffizienz
durch entzündliche
Herzmuskelerkrankungen, durch Infarkt oder Klappenfehler ist daher
bevorzugt.
- • erfindungsgemäß dazu,
eine bereits ausgebildete Hypertrophie bei fortdauerndem Einwirken
des hypertrophen Stimulus durch die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems zur Regression
zu bringen. Die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems liegt daher
bei Erkrankungen nahe, bei denen eine chronisch erhöhte Aktivität von Hypertrophie-induzierenden
Mediatoren vorliegt, die therapeutisch nicht normalisiert werden
kann. Dies ist insbesondere der Fall bei langbestehender arterieller
Hypertonie und chronischer Herzmuskelschwäche jedweder Genese.
- • erfindungsgemäß dazu,
eine bereits ausgebildete Hypertrophie auch bei Wegfall des hypertrophen
Stimulus durch die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems zur
Regression zu bringen. Dies legt daher die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
bei Erkrankungen wie passagerer Herzmuskelschwäche (insbesondere akuter Infarkt,
akute Myokarditis, akute Intoxikation), sowie bei gut therapierbarer
arterieller Hypertonie nahe.
- • zur
Induzierung von Hitzeschockproteinen durch Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems.
Bevorzugt ist die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems zur Protektion
des Herzkreislaufsystems in Situationen, in denen Stressoren jedweder
Art auf das Herz einwirken. Einsatzgebiete der Erfindung liegen
demzufolge insbesondere
– vor,
während
und nach Herzoperationen,
– sowie
während
und nach Herzinfarkten,
– sowie
vor, während
und nach katheterinterventionellen Eingriffen,
– aber auch
während
und nach Zuständen
von akuter und chronischer Herzmuskelschwäche.
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Weitere
vorteilhafte Maßnahmen
sind in den übrigen
Unteransprüchen
enthalten. Die Erfindung ist in den anliegenden Abbildungen dargestellt
und wird in Form von Beispielen, die auch auf die Abbildungen bezug
nehmen, nachfolgend näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 konzentrationsabhängige Stimulation der
Zellen mit MG132;
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2 bis 2d TNFα-induzierte
Degradation der Inhibitorproteine IκBα und β im Cytoplasma in Abhängigkeit
der Proteasom-Inhibitor Konzentration;
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3a bis 3d konzentrationsabhängige NFκB-vermittelte DNA-Bindungsaktivität im Bandshift-Assay;
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4 Induzierung
von Apoptose in VSMCs;
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5 Induzierung
von Apoptose in VSNCs;
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6 histologische
Schnitte zur Veranschaulichung der effektiven Verhinderung der Restenoseausbildung;
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7 dosisabhängige Zugabe
unterschiedlicher Agonisten wie Isoproterenol (Iso), Endothelin-1 (Endo),
transforming growth factor (TGF beta) und Trijodthyronin (T3) und
Beobachtung der Zunahme des zellulären Proteingehalts;
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8 Zeitkinetik
für den
Agonisten Isoproterenol gem. der 7;
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9 dosisabhängige Zugabe
unterschiedlicher Agonisten wie Isoproterenol (Iso), Endothelin-1 (Endo),
transforming growth factor (TGF beta) und Trijodthyronin (T3) und
Beobachtung der Abnahme des zellulären Proteingehalts bei Inhibition
des Ubiquitin-Proteasom-Systems;
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10 zeitabhängige Hypertrophieregession
bei Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems bei bereits ausgebildeter
Hypertrophie gem. der 9;
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11 Agonistenvergleich
gem. der 10;
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12 Induktion
von hsp70 nach Behandlung von NRCs mit MG132;
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13 Kardioprotektion
der HSPs durch Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems;
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14 Wirkung
der Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems auf die kontraktile Funktion von
myokardialen Zellverbänden.
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Vergleichsbeispiel zu
A)
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Es
konnte die anti-proliferative, anti-inflammatorische und proapoptotische
Wirkung von Proteasom-Inhibitoren gezeigt werden, nämlich zunächst durch
Untersuchung in vitro an primären
VSMCs der Ratten-Carotis. Die in vivo-Effekte des spezifischen Proteasom-Inhibitors
MG132 auf die Ausbildung einer Neointima wurden dann im Modell der
Ballondilatation der Ratten-Carotis untersucht.
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In
vitro konnte gezeigt werden, dass die nur fünfminütige Stimulation der Zellen
mit MG132 konzentrationsabhängig
(1μM MG132,
10μM MG132, 100μM MG132)
zu einem deutlich verminderten Zellwachstum in einem Proliferationsassay
nach Trypan-Blau-Ausschluß führte (1).
Die Gabe von 10μM
MG132 inhibierte das Wachstum der VSMCs um ca. 50% im Vergleich
zur Kontrolle.
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In
einem weiteren Schritt wurde untersucht, welche Effekte die Inhibition
des Proteasoms auf die TNFα-stimulierte
Aktivierung von NFκB
in primären VSMC
der Ratten-Carotis sowie in einer humanen Gefäßmuskelzellinie (Daten nicht
gezeigt) hat. Im inaktiven Zustand liegt NFκB in einem cytoplasmatischen
Komplex mit dem Inhibitor IκB
vor. Nach Cytokin-Stimulation (e.g. TNFα) wird IκB phosphoryliert und durch das
Proteasom selektiv abgebaut. Der freigesetzte Transkriptionsfaktor
NFκB gelangt
in den Kern und steuert die Expression inflammatorischer Gene. Der
cytoplasmatische Abbau der Inhibitorproteine IκBα und β wurde im Western Blot untersucht, die
DNA-Bindungsaktivität
des aktivierten und im Kern befindlichen NFκB-Komplexes wurde in Bandshift-Assays
analysiert.
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Es
konnte gezeigt werden, dass MG132 überraschend die TNFα-induzierte
Degradation der Inhibitorproteine IκBα und β im Cytoplasma in Abhängigkeit
der Proteasom-Inhibitor Konzentration reduziert (2A und 2B). Zur genauen Quantifizierung wurde
die Expression der Inhibitorproteine abgeglichen auf die Expression
des housekeeping Gens smooth muscle-α-actin (2C und 2D). Parallel dazu kommt es konzentrationsabhängig zu
einer verminderten Translokation des aktiven NFκB-Komplexes in den Kern, was
sich in einer deutlichen Reduktion der DNA-Bindungsaktivität im Bandshift-Assay ausdrückt (3C). Dieser Effekt läßt sich auch mit dem spezifischen
Proteasom-Inhibitor Lactacystin beobachten ( 3D).
Die Spezifität
des NFκB-vermittelten
Bandshifts wurde in einer Kompetitionsanalyse mit unmarkierter DNA
bestätigt
(3A). Durch supershift-Analyse ließ sich c-rel
als Hauptkomponente des nukleären
NFκB-Komplexes
in Ratten VSMCs identifizieren (3B).
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Es
konnte mithin erstmals gezeigt werden, dass durch Proteasom-Inhibitoren
Apoptose in VSMCs induziert wird. Der apoptotische Zelltod wurde zum
einen qualitativ durch eine DAPI/TUNEL-Färbung bestimmt (4a, DAPI-Färbung der unbehandelten Kontrollen;
b, korrespondierende TUNEL-Färbung;
c, DAPI-Färbung
der mit 10μM
MG132 behandelten VSMCs; d, korrespondierende TUNEL-Färbung),
sowie mittels eines Histon/DNA ELISAs (5)und einer
TUNEL-FACS-Analyse
quantifiziert. Die Behandlung primärer VSMCs (24h) mit 1, 10 und
50μM MG132
induzierte Apoptose, ebenso wie die nur 5-minütige Stimulation mit 1mM MG132 (5).
Durch Verwendung eines weiteren Proteasom-Inhibitors, Lactacystin, konnte gezeigt
werden, dass die Induktion des apoptotischen Zelltods in VSMCs spezifisch
auf die Inhibition des Proteasoms zurückzuführen ist.
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Nachdem
in den die Restenose im wesentlichen bedingenden Zellen, nämlich den
VSMCs, gezeigt werden konnte, dass die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems anti-inflammatorisch, pro-apoptotisch
und anti-proliferativ wirkt, wurde in weiteren in vivo Experimenten
die Wirkung der Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems auf die Restenoseentwicklung
im Ganztiermodell der Ratte geprüft.
Dazu wurden in einem etablierten Restenosemodell, dem sogenannten „balloon
injury model" (Clowes
et al., 1983), bei dem das Endothel der Rattencarotis mittels eines
Ballonkatheters traumatisch entfernt wird und ein Gefäßwandtrauma
durch Aufdehnung des Gefäßes gesetzt
wird, ein Inhibitor des Ubiquitin-Proteasom-Systems, MG 132, in
die gedehnte Gefäßwand eingebracht
(5 Minuten, 1mM MG132). In Serien von jeweils 7 Tieren (behandelt und
unbehandelt) führte
die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
dazu, dass die Restenoseausbildung effektiv verhindert wurde wie
in 6 in repräsentativen
histologischen Schnitten gezeigt (6: a, dilatiertes
Kontrolltier mit M=Media, NI=Neointima, A=Adventitia; b, MG132-behandeltes Tier).
Die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems erscheint daher ein
wirksames Prinzip zur Verhinderung der Restenose sowie von Entzündungsaktivierung
und Komplikationen vor, während
und/oder nach katheterinterventionellen Eingriffen.
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Ausführungsbeispiel zu B)
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Hypertrophie
von Herzmuskelzellen geht bekanntermaßen einher mit einer erhöhten Proteinsynthese;
weitgehend unbekannt ist der Einfluß des Proteinabbaus auf die
Akkumulation zellulärer
Proteine im Herzmuskel.
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Es
konnte im Labor ein Hypertrophiemodell an neonatalen Rattenkardiomyozyten
etabliert werden, in dem kardiale Hypertrophie induziert wird durch
unterschiedliche hypertrophe Stimuli, die verschiedene Signaltransduktionswege
bedienen. Die Hypertrophie wurde als Zunahme des zellulären Proteingehalts
(gemessen als pg Protein/Zelle mittels Proteinbestimmung nach Bradford)
definiert.
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Wie
in 7 gezeigt, führt
die Zugabe unterschiedlicher Agonisten wie Isoproterenol (Iso),
Endothelin-1 (Endo), transforming growth factor (TGF beta) und Trijodthyronin
(T3) dosisabhängig
nach 48 Stunden zu einer Zunahme des zellulären Proteingehalts zwischen
80%–100%.
Der optimale Zeitpunkt der Hypertrophieausbildung wird bei allen
Agonisten nach 48 Stunden erreicht, hier beispielhaft in der Zeitkinetik
für Isoproterenol
gezeigt (8).
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Mit
Hilfe dieses Hypertrophiemodells wurden die folgenden Fragestellungen
geklärt
und verifiziert:
- 1. Ist die Ausbildung der
Hypertrophie durch gleichzeitige Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
abschwächbar
oder verhinderbar?
- 2. Kann bei bereits ausgebildeter Hypertrophie bei weiterem
Einwirken des hypertrophen Stimulus die Hypertrophieprogression
durch jetzt einsetzende Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
(nach 48 h) abgeschwächt
oder verhindert werden?
- 3. Kann bei bereits ausgebildeter Hypertrophie bei Wegfall des
hypertrophen Stimulus die Hypertrophie durch die jetzt einsetzende
Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
(nach 48 h) schneller zur Regression gebracht werden?
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Ad
1.: 9 zeigt, dass durch die gleichzeitige Inhibition
des Ubiquitin-Proteasom-Systems
die Hypertrophieentwicklung durch die verschiedenen Agonisten bei
einer Dosis von 0.1 μM
MG132 bereits abgeschwächt
wird. Wie exemplarisch für
Iso gezeigt, verhindert die Erhöhung
der Dosis auf 1 μM MG132
eine signifikante Zunahme der Proteinmenge und somit die Ausbildung
einer Hypertrophie (Werte in Triplika, Mittelwerte und SD).
-
Ad
2.: In 10 ist dargelegt, dass bei bereits
ausgebildeter Hypertrophie unterschiedlicher Genese (induziert durch
Iso, Endo, IGF) die jetzt einsetzende Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
durch MG 132 (Beginn nach 48 h, Dosis: 0.1 μM) das Fortschreiten der Hypertrophieentwicklung effektiv
zu verhindern vermag. Wie in 10 gezeigt,
wird eine Zunahme des Proteingehalts (vergleiche: Iso 1 μM, 48h vs.
Iso 1 μM,
48h, dann MG 132) vollständig
verhindert. Bei IGF kommt es bei dieser MG 132 Dosierung nach 96
h sogar zu einer Hypertrophieregession durch Absinken des Zellproteingehalts
unter das Niveau des 48 h Wertes.
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Ad
3.: 11 zeigt, dass bei bereits ausgebildeter Hypertrophie
unterschiedlicher Genese und Wegfall des hypertrophen Stimulus durch
Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems durch MG 132 (Beginn
nach 48 h, Dosis: 0.1 μM)
die Hypertrophie schneller zur Regression bringt als bei den unbehandelten
Kontrollen.
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Dies
Untersuchungen führen
zu dem überraschenden
und unerwarteten Ergebnis, dass die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
einen neuen und generellen Ansatz darstellt, unabhängig vom Signaltransduktionsweg
die Ausbildung kardialer Hypertrophie zu verhindern und die Regression
zu beschleunigen.
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Vergleichsbeispiel zu
C)
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Es
wurde im Labor ein Modell an neonatalen Rattenkardiomyozyten etabliert,
in dem HSPs durch Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems induziert werden
können.
In 12 ist gezeigt, dass – exemplarisch für HSPs – HSP 70
bereits zwei Stunden nach Gabe der Proteasominhibitors MG 132 dosisabhängig auf
Proteinebene im Vergleich zur Kontrolle aber auch im Vergleich zum
dem natürlichem
Induktor „Wärmeschock" verstärkt exprimiert
wird (linke Seite der 12). Diese HSP-Induktion erreicht nach
4 Stunden ein Maximum (rechte Seite der 12). Dabei
wurden NRCs mit 1 oder 10 μM MG132
für 1 Stunde
vorinkubiert und entweder direkt (0h) oder nach 2 (2h) bzw. 4 (4h)
Stunden lysiert. 100 μg
Zellysat wurden auf einem SDS-Gel aufgetrennt, geblotted und mit
einem Antikörper
gegen hsp70 markiert (siehe Pfeil, rechte Seite der 12).
Als Positivkontrolle wurden hitzegeschockte Zellen (HS) eingesetzt
(30 min Hintzeschock bei 42°C,
Lyse nach 30 min Erholungsphase, siehe Pfeilspitze). Als Negativkontrolle
dienten unbehandelte Zellen. Rekombinates Protein diente als Marker.
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Die
Induktion der HSPs durch Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
führt tatsächlich zu
einer Kardioprotektion: 13 zeigt
in arbiträren
Einheiten eines Zellvitalitätstests
(XTT-Test) in neonatalen Kardiomyozyten, die einem Hitzestress von
2 Stunden ausgesetzt wurden, ein nach 2 und 4 Stunden deutlich besseres Überleben
durch Vorinkubation der Zellen mit 1 μM MG132.
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In
einem weiteren Schritt wurde die Wirkung der Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems auf die kontraktile
Funktion von myokardialen Zellverbänden (Rattenpapillarmuskel)
geprüft.
Dazu wurden Papillarmuskel präpariert,
eine Stunde mit 1 μM MG132
inkubiert, in eine Kraftmeßmaschine
eingespannt und nach zwei Stunden einer Ischämie von 40 min ausgesetzt (14).
Die Ordinate zeigt die entwickelte Kraft, die Abszisse markiert
verschiedene Zeitpunkte (Z) (Z1 Basalwert, Z2 Beginn der Hypoxie, Z3
bis Z8 Erholung der Kontraktionskraft nach Wiederzuführen von
Sauerstoff.) Aus 14 geht eindeutig hervor, dass
die mit MG132 behandelten Tiere (nach Induktion von HSPs) sich schneller
und besser erholen. Während
die Kontraktionskraft der MG132 behandelten Tiere auf das Ausgangsniveau
wieder zurückkehrt,
wird dieses Niveau bei den Kontrollen nicht mehr erreicht.
-
Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Inhibition des Ubiquitin-Proteasom-Systems
einen Ansatz darstellt, kardioprotektive Faktoren wie Hitzeschockproteine
im Herzen zu induzieren und dadurch eine effektive Protektion gegen
Stressfaktoren, insbesondere gegen Sauerstoffmangel, zu erreichen.
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