Endothelial dysfunction in the pulmonary artery induced by concentrated fine particulate matter exposure is associated with local but not systemic inflammation

Clinical evidence has identified the pulmonary circulation as an important target of air pollution. It was previously demonstrated that in vitro exposure to fine particulate matter (aerodynamic diameter <= 2.5 mu m, PM2.5) induces endothelial dysfunction in isolated pulmonary arteries. We aimed to investigate the effects of in vivo exposure to urban concentrated PM2.5 on rat pulmonary artery reactivity and the mechanisms involved. For this, adult Wistar rats were exposed to 2 weeks of concentrated Sao Paulo city air PM2.5 at an accumulated daily dose of approximately 600 mu g/m(3). Pulmonary arteries isolated from PM2.5-exposed animals exhibited impaired endothelium-dependent relaxation to acetylcholine without significant changes in nitric oxide donor response compared to control rats. PM2.5 caused vascular oxidative stress and enhanced protein expression of Cu/Zn- and Mn-superoxide dismutase in the pulmonary artery. Protein expression of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) was reduced, while tumor necrosis factor (TNF)-alpha was enhanced by PM2.5 inhalation in pulmonary artery. There was a significant positive correlation between eNOS expression and maximal relaxation response (E-max) to acetylcholine. A negative correlation was found between vascular TNF-alpha expression and E-max to acetylcholine. Plasma cytokine levels, blood cells count and coagulation parameters were similar between control and PM2.5-exposed rats. The present findings showed that in vivo daily exposure to concentrated urban PM2.5 could decrease endothelium-dependent relaxation and eNOS expression on pulmonary arteries associated with local high TNF-alpha level but not systemic pro-inflammatory factors. Taken together, the present results elucidate the mechanisms underlying the trigger of cardiopulmonary diseases induced by urban ambient levels of PM2.5. (C) 2012 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Changes in hippocampal gene expression by 7-nitroindazole in rats submitted to forced swimming stress

Nitric oxide (NO) is an atypical neurotransmitter that has been related to the pathophysiology of major depression disorder. Increased plasma NO levels have been reported in depressed and suicidal patients. Inhibition of neuronial nitric oxide synthase (nNOS), on the other hand, induces antidepressant effects in clinical and pre-clinical trials. The mechanisms responsible for the antidepressant-like effects of nNOS inhibitors, however, are not completely understood. In this study, genomic and proteomic analyses were used to investigate the effects of the preferential nNOS inhibitor 7-nitroindazole (7-NI) on changes in global gene and protein expression in the hippocampus of rats submitted to forced swimming test (FST). Chronic treatment (14 days, i.p.) with imipramine (15 mg/kg daily) or 7-NI (60 mg/kg daily) significantly reduced immobility in the FST. Saturation curves for Serial analysis of gene expression libraries showed that the hippocampus of animals submitted to FST presented a lower number of expressed genes compared to non-FST stressed groups. Imipramine, but not 7-NI, reverted this effect. GeneGo analyses revealed that genes related to oxidative phosphorylation, apoptosis and survival controlled by HTR1A signaling and cytoskeleton remodeling controlled by Rho GTPases were significantly changed by FST. 7-NI prevented this effect. In addition, 7-NI treatment changed the expression of genes related to transcription in the cAMP response element-binding pathway. Therefore, this study suggests that changes in oxidative stress and neuroplastic processes could be involved in the antidepressant-like effects induced by nNOS inhibition.

C-Phycocyanin protects SH-SY5Y cells from oxidative injury, rat retina from transient ischemia and rat brain mitochondria from Ca2+/phosphate-induced impairment

Oxidative stress and mitochondrial impairment are essential in the ischemic stroke cascade and eventually lead to tissue injury. C-Phycocyanin (C-PC) has previously been shown to have strong antioxidant and neuroprotective actions. In the present study, we assessed the effects of C-PC on oxidative injury induced by tert-butylhydroperoxide (t-BOOH) in SH-SY5Y neuronal cells, on transient ischemia in rat retinas, and in the calcium/phosphate-induced impairment of isolated rat brain mitochondria (RBM). In SH-SY5Y cells, t-BOOH induced a significant reduction of cell viability as assessed by an MTT assay, and the reduction was effectively prevented by treatment with C-PC in the low micromolar concentration range. Transient ischemia in rat retinas was induced by increasing the intraocular pressure to 120 mmHg for 45 min, which was followed by 15 min of reperfusion. This event resulted in a cell density reduction to lower than 50% in the inner nuclear layer (INL), which was significantly prevented by the intraocular pre-treatment with C-PC for 15 min. In the RBM exposed to 3 mM phosphate and/or 100 mu M Ca2+, C-PC prevented in the low micromolar concentration range, the mitochondrial permeability transition as assessed by mitochondrial swelling, the membrane potential dissipation, the increase of reactive oxygen species levels and the release of the pro-apoptotic cytochrome c. In addition, C-PC displayed a strong inhibitory effect against an electrochemically-generated Fenton reaction. Therefore, C-PC is a potential neuroprotective agent against ischemic stroke, resulting in reduced neuronal oxidative injury and the protection of mitochondria from impairment. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Extracytoplasmic function (ECF) sigma factor sigma(F) is involved in Caulobacter crescentus response to heavy metal stress

Background: The alpha-proteobacterium Caulobacter crescentus inhabits low-nutrient environments and can tolerate certain levels of heavy metals in these sites. It has been reported that C. crescentus responds to exposure to various heavy metals by altering the expression of a large number of genes. Results: In this work, we show that the ECF sigma factor sigma(F) is one of the regulatory proteins involved in the control of the transcriptional response to chromium and cadmium. Microarray experiments indicate that sigma(F) controls eight genes during chromium stress, most of which were previously described as induced by heavy metals. Surprisingly, sigma(F) itself is not strongly auto-regulated under metal stress conditions. Interestingly, sigma(F)-dependent genes are not induced in the presence of agents that generate reactive oxygen species. Promoter analyses revealed that a conserved sigma(F)-dependent sequence is located upstream of all genes of the sigma(F) regulon. In addition, we show that the second gene in the sigF operon acts as a negative regulator of sigma(F) function, and the encoded protein has been named NrsF (Negative regulator of sigma F). Substitution of two conserved cysteine residues (C131 and C181) in NrsF affects its ability to maintain the expression of sigma(F)-dependent genes at basal levels. Furthermore, we show that sigma(F) is released into the cytoplasm during chromium stress and in cells carrying point mutations in both conserved cysteines of the protein NrsF. Conclusion: A possible mechanism for induction of the sigma(F)-dependent genes by chromium and cadmium is the inactivation of the putative anti-sigma factor NrsF, leading to the release of sigma(F) to bind RNA polymerase core and drive transcription of its regulon.

Cannabidiol protects oligodendrocyte progenitor cells from inflammation-induced apoptosis by attenuating endoplasmic reticulum stress

Cannabidiol (CBD) is the most abundant cannabinoid in Cannabis sativa that has no psychoactive properties. CBD has been approved to treat inflammation, pain and spasticity associated with multiple sclerosis (MS), of which demyelination and oligodendrocyte loss are hallmarks. Thus, we investigated the protective effects of CBD against the damage to oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) mediated by the immune system. Doses of 1 mu M CBD protect OPCs from oxidative stress by decreasing the production of reactive oxygen species. CBD also protects OPCs from apoptosis induced by LPS/IFN gamma through the decrease of caspase 3 induction via mechanisms that do not involve CB1, CB2, TRPV1 or PPAR gamma receptors. Tunicamycin-induced OPC death was attenuated by CBD, suggesting a role of endoplasmic reticulum (ER) stress in the mode of action of CBD. This protection against ER stress-induced apoptosis was associated with reduced phosphorylation of eiF2 alpha, one of the initiators of the ER stress pathway. Indeed, CBD diminished the phosphorylation of PKR and eiF2 alpha induced by LPS/IFN gamma. The pro-survival effects of CBD in OPCs were accompanied by decreases in the expression of ER apoptotic effectors (CHOP, Bax and caspase 12), and increased expression of the anti-apoptotic Bcl-2. These findings suggest that attenuation of the ER stress pathway is involved in the 'oligoprotective' effects of CBD during inflammation. Cell Death and Disease (2012) 3, e331; doi:10.1038/cddis.2012.71; published online 28 June 2012

ER stress is associated with reduced ABCA-1 protein levels in macrophages treated with advanced glycated albumin - Reversal by a chemical chaperone

ATP-binding cassette transporter A1 mediates the export of excess cholesterol from macrophages, contributing to the prevention of atherosclerosis. Advanced glycated albumin (AGE-alb) is prevalent in diabetes mellitus and is associated with the development of atherosclerosis. Independently of changes in ABCA-1 mRNA levels, AGE-alb induces oxidative stress and reduces ABCA-1 protein levels, which leads to macrophage lipid accumulation. These metabolic conditions are known to elicit endoplasmic reticulum (ER) stress. We sought to determine if AGE-alb induces ER stress and unfolded protein response (UPR) in macrophages and how disturbances to the ER could affect ABCA-1 content and cholesterol efflux in macrophages. AGE-alb induced a time-dependent increase in ER stress and UPR markers. ABCA-1 content and cellular cholesterol efflux were reduced by 33% and 47%, respectively, in macrophages treated with AGE-alb, and both were restored by treatment with 4-phenyl butyric acid (a chemical chaperone that alleviates ER stress), but not MG132 (a proteasome inhibitor). Tunicamycin, a classical ER stress inductor, also impaired ABCA-1 expression and cholesterol efflux (showing a decrease of 61% and 82%, respectively), confirming the deleterious effect of ER stress in macrophage cholesterol accumulation. Glycoxidation induces macrophage ER stress, which relates to the reduction in ABCA-1 and in reverse cholesterol transport, endorsing the adverse effect of macrophage ER stress in atherosclerosis. Thus, chemical chaperones that alleviate ER stress may represent a useful tool for the prevention and treatment of atherosclerosis in diabetes. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydroxyl scavenging activity accounts for differential antioxidant protection of Plantago major against oxidative toxicity in isolated rat liver mitochondria

Objectives The aim of this work was to study the effects of P. major against the oxidative damage of isolated rat liver mitochondria. Methods The extracts were obtained using methanol (MeOH), ethyl acetate (EAc), dichloromethane (DCM), and hexane (Hex) as solvents. Key findings Hex, DCM, and EAc totally, and MeOH partially, inhibited ROS generation and lipid peroxidation of membranes induced by Fe2+ or t-BOOH. However, only MeOH was able to prevent the t-BOOH-induced glutathione and NAD(P)H oxidation. All extracts chelated Fe2+ and reduced DPP Hradicals. EPR analysis revealed that P. major exhibited potent scavenger activity for hydroxyl radicals. Conclusions The potent antioxidant activity exhibited by P. major was able to prevent oxidative mitochondrial damage, contributing to the understanding of its hepatoprotective action against ROS-mediated toxicity.

Burnt sugarcane harvesting: cardiovascular effects on a group of healthy workers, Brazil

Background: Brazil is the world's largest producer of sugarcane. Harvest is predominantly manual, exposing workers to health risks: intense physical exertion, heat, pollutants from sugarcane burning. Design: Panel study to evaluate the effects of burnt sugarcane harvesting on blood markers and on cardiovascular system. Methods: Twenty-eight healthy male workers, living in the countryside of Brazil were submitted to blood markers, blood pressure, heart rate variability, cardiopulmonary exercise testing, sympathetic nerve activity evaluation and forearm blood flow measures (venous occlusion plethysmography) during burnt sugarcane harvesting and four months later while they performed other activities in sugar cane culture. Results: Mean participant age was 31 +/- 6.3 years, and had worked for 9.8 +/- 8.4 years on sugarcane work. Work during the harvest period was associated with higher serum levels of Creatine Kinase - 136.5 U/L (IQR: 108.5-216.0) vs. 104.5 U/L (IQR: 77.5-170.5), (p = 0.001); plasma Malondialdehyde-7.5 +/- 1.4 mu M/dl vs. 6.9 +/- 1.0 mu M/dl, (p = 0.058); Glutathione Peroxidase - 55.1 +/- 11.8 Ug/Hb vs. 39.5 +/- 9.5 Ug/Hb, (p < 0.001); Glutathione Transferase- 3.4 +/- 1.3 Ug/Hb vs. 3.0 +/- 1.3 Ug/Hb, (p = 0.001); and 24-hour systolic blood pressure - 120.1 +/- 10.3 mmHg vs. 117.0 +/- 10.0 mmHg, (p = 0.034). In cardiopulmonary exercise testing, rest-to-peak diastolic blood pressure increased by 11.12 mmHg and 5.13 mmHg in the harvest and non-harvest period, respectively. A 10 miliseconds reduction in rMSSD and a 10 burst/min increase in sympathetic nerve activity were associated to 2.2 and 1.8 mmHg rises in systolic arterial pressure, respectively. Conclusion: Work in burnt sugarcane harvesting was associated with changes in blood markers and higher blood pressure, which may be related to autonomic imbalance.

High sodium intake adversely affects oxidative-inflammatory response, cardiac remodelling and mortality after myocardial infarction

Objective: Enhanced sodium intake increases volume overload, oxidative stress and production of proinflammatory cytokines. In animal models, increased sodium intake favours ventricular dysfunction after myocardial infarction (MI). The aim of this study was to investigate, in human subjects presenting with ST-segment elevation MI (STEMI), the impact of sodium intake prior the coronary event. Methods: Consecutive patients (n = 372) admitted within the first 24 h of STEMI were classified by a food intake questionnaire as having a chronic daily intake of sodium higher (HS) or lower (LS) than 1.2 g in the last 90 days before MI. Plasma levels of 8-isoprostane, interleucin-2 (IL-2), tumour necrosis factor type alpha (TNF-alpha), C-reactive protein (CRP) and brain natriuretic peptide (BNP) were measured at admission and at the fifth day. Magnetic resonance imaging was performed immediately after discharge. Total mortality and recurrence of acute coronary events were investigated over 4 years of follow-up. Results: The decrease of 8-isoprostane was more prominent and the increase of IL-2, TNF-alpha and CRP less intense during the first 5 days in LS than in HS patients (p < 0.05). Sodium intake correlated with change in plasma BNP between admission and fifth day (r = 0.46; p < 0.0001). End-diastolic volumes of left atrium and left ventricle were greater in HS than in LS patients (p < 0.05). In the first 30 days after MI and up to 4 years afterwards, total mortality was higher in HS than in LS patients (p < 0.05). Conclusion: Excessive sodium intake increases oxidative stress, inflammatory response, myocardial stretching and dilatation, and short and long-term mortality after STEMI. (C) 2012 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Effects of vitamin E supplementation on renal non-enzymatic antioxidants in young rats submitted to exhaustive exercise stress

Abstract Background Exercise stress was shown to increase oxidative stress in rats. It lacks reports of increased protection afforded by dietary antioxidant supplements against ROS production during exercise stress. We evaluated the effects of vitamin E supplementation on renal non-enzymatic antioxidants in young rats submitted to exhaustive exercise stress. Methods Wistar rats were divided into three groups: 1) control group; 2) exercise stress group and; 3) exercise stress + Vitamin E group. Rats from the group 3 were treated with gavage administration of 1 mL of Vitamin E (5 mg/kg) for seven consecutive days. Animals from groups 2 and 3 were submitted to a bout of swimming exhaustive exercise stress. Kidney samples were analyzed for Thiobarbituric Acid Reactive Substances to (TBARS) by malondialdehyde (MDA), reduced glutathione (GSH) and vitamin-E levels. Results The group treated with vitamin E and submitted to exercise stress presented the lowest levels of renal MDA (1: 0.16+0.02 mmmol/mgprot vs. 2: 0.34+0.07 mmmol/mgprot vs. 3: 0.1+0.01 mmmol/mgprot; p < 0.0001), the highest levels of renal GSH (1: 23+4 μmol/gprot vs. 2: 23+2 μmol/gprot vs. 3: 58+9 μmol/gprot; p < 0.0001) and the highest levels of renal vitamin E (1: 24+6 μM/gtissue vs. 2: 28+2 μM/gtissue vs. 3: 43+4 μM/gtissue; p < 0.001). Conclusion Vitamin E supplementation improved non-enzymatic antioxidant activity in young rats submitted to exhaustive exercise stress.

Phytoremediation by poplar: polyphenols polyamines and oxidative damage in the response to heavy metals in in vitro and in hydroponic cultures.

Poplar is considered a good candidate for phytoremediation, but its tolerance to heavy metals has not been fully investigated yet. In the present work, two different culture systems (in vitro and aeroponic/hydroponic) and two different stress tolerant clones of Populus alba (AL22 and Villafranca) were investigated for their total polyphenol and flavonoid content, individual phenolic compounds, polyamine, lipid peroxidation and hydrogen peroxide levels in response to Cu. In AL22 poplar plants cultured in vitro in the presence or absence of 50 μM Cu, total leaves polyphenol and flavonoid content was higher in treated samples than in controls but unaltered in the roots. Equally the same clone, grown under aeroponic conditions and hydroponically treated for 72 h with 100 μM Cu, displayed increased amount of polyphenols and flavonoids in the leaves, in particular chlorogenic acid and quercetin, and no differences in the roots. In exudates from treated roots total polyphenols and flavonoids, in particular catechin and epicatechin, were more abundant than in controls. Polyamine levels show an increase in conjugated putrescine (Put) and spermidine (Spd) was found. In the Villafranca clone, treated with 100 μM Cu for 6, 24 and 72 h, the pattern of polyphenol and flavonoid accumulation was the same as in AL22; in Cu-treated roots these compounds decreased compared with controls while they increased in root exudates. Free polyamine levels rose at 24 and 72 h while only conjugated Put increased at 24 h. Cu-treated Villafranca plants exhibited a higher malondialdehyde production than controls indicative of membrane lipid peroxidation and, therefore, oxidative stress. An in vitro experiment was carried to investigate the antioxidant effect of the polyamine spermidine (Spd). Exogenous Spd, supplied together with 100 μM Cu, reduced the accumulation of polyphenols and flavonoids, MDA and hydrogen peroxide induced by Cu.

Einfluss von oxidativem Stress auf die DNA-Reparatur in Säugerzellen

Gegenstand dieser Arbeit war es, das Zusammenspiel zwischen DNA-Reparatur und zellulärem anitoxidativen Abwehrsystem in Melanomzellen und gesunden Hautfibroblasten näher zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die dominierenden DNA-Läsionen im Falle einer Bestrahlung mit sichtbarem Licht (400 – 800 nm) Fpg-sensitive Läsionen, zu denen die Basenmodifikation 7,8-Dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG) gehört, und im Falle der UVA-Bestrahlung Cyclobutan-Pyrimidindimere (CPDs) sind. Sowohl Melanomzellen als auch Hautfibroblasten waren problemlos in der Lage, die durch sichtbares Licht und UVA-Strahlung induzierten oxidativen DNA-Modifikationen zu reparieren. Jedoch reagierten Melanomzellen in einer adaptiven Antwort mit einer Erhöhung ihres Glutathion-Gehalts auf ein Maximum (nach circa 10 - 14 h) nach Bestrahlung mit sichtbarem Licht, wohingegen die Hautfibroblasten einen massiven Einbruch direkt nach Bestrahlung und eine extrem lange Erholungsphase über 48 h aufzuweisen hatten. Die darauffolgende Untersuchung der DNA-Reparaturkapazität der Zellen unter Bedingungen von oxidativem Stress mit vorangegangener Depletion intrazellulären Glutathions zeigten eine dramatische, nahezu vollständige Hemmung der Reparatur durch UVA- bzw. Sonnenlicht-induzierter Fpg-sensitiver DNA-Modifikationen (8-oxoG) - sowohl in Melanomzellen als auch in Hautfibroblasten. Dieser Effekt ließ sich durch den Zusatz von Dithiothreitol (DTT), nach erfolgter Bestrahlung der Glutathion-depletierten Zellen, wieder komplett revertieren. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass an der Reparatur ein redoxempfindliches Protein oder zellulärer Cofaktor beteiligt sein muß. Zudem konnte durch Untersuchungen der Nukleotidexzisionsreparatur (NER) und der Einzelstrangbruchreparatur nach dem gleichen Versuchsdesign gezeigt werden, dass es sich hierbei sehr wahrscheinlich um einen für die Basenexzisionsreparatur (BER) von 7,8-dihydro-8-oxo-guanine (8-oxoG) exklusiven Effekt handelte. Zwei der wichtigsten Reparaturproteine der BER, nämlich hOGG1 und APE1, wurden anschließend auf ihre Funktionsfähigkeit hin untersucht, da es naheliegend war, dass der Reparaturhemmung ein Funktionsverlust eines dieser beiden Enzyme zugrunde liegen könnte. Im Falle des APE1-Proteins konnte dies ausgeschlossen werden, da mit Hilfe der Alkalischen Elution die volle Funktionsfähigkeit für die Reparatur von AP-Läsionen nachgewiesen werden konnte. Interessanterweise zeigte aber das hOGG1-Protein eine zwischen der dritten und vierten Stunde nach Bestrahlung Glutathion-depletierter Zellen stark abfallende Aktivität der 8-oxoG-Glykosylasefunktion. Die Western-Blot-Analyse ergab allerdings keinen Hinweis auf eine Proteinoxidation von hOGG1. Möglicherweise wird nicht hOGG1 selbst, wohl aber ein anderes, für eine konzertierte Abfolge der einzelnen Reparaturschritte entscheidend notwendiges Protein innerhalb der Zelle durch ROS leicht oxidiert. In jedem Fall bleibt festzustellen, dass Glutathion eine wichtige Aufgabe hinsichtlich einer voll funktionsfähigen Basenexzisionreparatur zuzukommen scheint. Die Ergebnisse unterstreichen die mögliche Bedeutung von oxidativem Stress für die Entstehung von Krebs durch Sonnenlicht, insbesondere durch UVA, da die durch die Strahlung (und eventuell auftretende Entzündung) gebildeten ROS nicht nur DNA-Schäden induzieren, sondern auch ihre Reparatur verhindern können.

Einfluss von Resveratrol auf oxidative DNA-Schäden und Mutagenese in vivo

Oxidative DNA-Basenmodifikationen, wie 7,8-Dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG), werden endogen in allen Zellen gebildet. Die beobachtbaren Spiegel ergeben sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Bildung durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS), sowie der gleichzeitigen Reparatur der DNA-Schäden. Durch ihr hohes mutagenes Potential, tragen oxidative DNA-Basenmodifikationen zur spontanen Mutationsrate bei. Der Ausfall wichtiger DNA-Reparaturmechanismen führt in Ogg1(-/-)Csb(-/-)-Knockout-Mäusen zu einem Anstieg von 8 oxoG und der spontanen Mutationsrate.rnIn dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob die basalen Spiegel an oxidativen Basenmodifikationen und die spontanen Mutationsraten in vivo durch die orale Gabe von Resveratrol moduliert werden können. Resveratrol ist ein Pflanzeninhaltsstoff (u.a. aus Rotwein) mit einer Vielzahl von Wirkungen, der bereits in zahlreichen Studien ein chemopräventives Potential gezeigt hat und antioxidativ wirkt.rnAn verschiedenen Mausgenotypen wurden zum einen eine Kurzzeit-Behandlung (7 Tage mit 100 mg/kg per Gavage) und zum anderen eine Langzeit-Behandlung (3-9 Monate mit 0,04% ad libitum) mit Resveratrol durchgeführt. Die oxidativen DNA Schäden wurden in primären Maushepatozyten mit Hilfe einer modifizierten Alkalischen Elution, mit der bakteriellen Formamidopyrimidin-DNA Glykosylase als Sonde, bestimmt. Zur Analyse der Mutationsrate wurde der BigBlue® Mutationsassay mit anschließender Sequenzierung der Mutationen verwendet.rnDie Ergebnisse zeigen, dass die Kurzzeit- und die Langzeit-Behandlung mit Resveratrol die basalen Spiegel oxidativer DNA-Basenmodifikationen senken. Die Reduktion ist jeweils wesentlich ausgeprägter in den reparaturdefizienten Ogg1(-/-)Csb(-/-)-Mäusen zu erkennen. Auch die spontane Mutationsrate wird durch eine mehrmonatige Behandlung mit Resveratrol um ungefähr 20-30% reduziert.rnAnschließende mechanistische Untersuchungen zeigten, dass dieser Schutz wahrscheinlich auf einer Induktion der antioxidativen Schutzmechanismen begründet ist. So wurde gefunden, dass primäre Hepatozyten aus mit Resveratrol behandelten Mäusen wesentlich besser gegen exogen herbeigeführten oxidativen Stress geschützt sind, als Hepatozyten von unbehandelten Tieren. Ein weiterer Hinweis ist die Hochregulation der mRNA-Spiegel von verschiedenen antioxidativen Schutzenzymen, wie Superoxiddismutase 1 / 2, Hämoxygenase 1, Glutathionperoxidase 1, nach der Gabe von Resveratrol in Mäuselebern. Außerdem sind die oxidativen Markermutationen (GC->TA-Transversionen) stärker von der Reduktion der spontanen Mutationsrate betroffen, als andere Mutationen (z.B. GC->AT-Transitionen).rnDie Ergebnisse zeigen erstmalig, dass spontane Mutationen in vivo durch Fremdstoffe in der Nahrung reduziert werden können. Im Falle von Resveratrol wird diese Reduktion wahrscheinlich durch eine Stimulation der antioxidativen Schutzmechanismen ausgelöst.rn

Der enzymatische und anti-oxidative Mechanismus des anti-atherogenen Enzyms Paraoxonase-2

Das humane Enzym PON2 ist in eine Vielzahl pathophysiologischer Prozesse involviert und ist durch zwei Funktionen gekennzeichnet - eine enzymatische Laktonase-Aktivität und eine anti-oxidative Aktivität. Durch die Laktonase-Aktivität hydrolysiert PON2 vorwiegend das bakterielle Signalmolekül 3oxoC12. PON2 ist als Bestandteil des angeborenen Immunsystems anzusehen und trägt wahrscheinlich zur Immunabwehr gegen Infektionen mit den human-pathogenen Pseudomonas aeruginosa Bakterien bei. Durch die anti-oxidative Aktivität vermindert PON2 oxidative Schäden und verringert redox-abhängige pro-apoptotische Stimulation. Diese einzigartige Funktion von PON2 ist jedoch ambivalent zu betrachten, da hohe PON2-Spiegel zwar Arteriosklerose reduzieren können, aber im Verdacht stehen Tumorzellen zu stabilisieren.rnIn dieser Arbeit wurden die noch unbekannten Mechanismen und der Zusammenhang der enzymatischen und der anti-oxidativen Aktivität analysiert. In diesem Rahmen wurde gezeigt, dass PON2 spezifisch die Superoxidfreisetzung an Komplex I und III der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran reduzieren kann. PON2 veränderte dabei weder die Aktivitäten der Superoxiddismutasen noch die Cytochrom C-Expression. Weiterhin konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass PON2 O2- nicht direkt abbaut, sondern vielmehr dessen Bildung verhindert. Diese Erkenntnisse implizieren, dass PON2 die anti-oxidative Aktivität über eine Beeinflussung des Quinon-Pools vermittelt. Anhand von verschiedenen Punktmutationen konnte gezeigt werden, dass die Histidinreste-114 und -133 für die Laktonase-Aktivität essentiell sind. Weiterhin wurden die Glykosylierungsstellen von PON2 identifiziert und gezeigt, dass die Glykosylierung, nicht aber der natürliche Polymorphismus Ser/Cys311 für die Laktonase-Aktivität von Bedeutung ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass keine dieser Mutationen die anti-oxidative Aktivität beeinflusste, wodurch erstmals die Unabhängigkeit der beiden Funktionen von PON2 gezeigt werden konnte. rnEs war bekannt, dass PON2 gegen intrinsische und ER-Stress-induzierte Apoptose schützt. Die Spezifität der anti-oxidativen / anti-apoptotischen Wirkung wurde hier an einem weiteren pathophysiologischen Modell untersucht. 7-Ketocholesterol (7-KC) ist der Hauptbestandteil des pro-arteriosklerotischen oxLDL und verursacht in Zellen des Gefäßsystems ER-Stress, oxidativen Stress und Apoptose. Unerwarteterweise konnte PON2 Endothelzellen nicht gegen den 7-KC-induzierten Zelltod schützen. Mehrere unabhängige experimentelle Ansätze belegen, dass 7-KC in Endothelzellen im Gegensatz zu Gefäßmuskelzellen den Zelltod über Autophagie und nicht über ER-Stress oder intrinsische Apoptose bewirkt. Weiterhin führt 7-KC, wie auch 3oxoC12 und Thapsigargin zu einem Abbau der PON2-mRNA, die über die 5’UTR der PON2-mRNA vermittelt wird. Diese Arbeit vermittelt detaillierte mechanistische Einsichten in die Funktionen von PON2, die für ihre Rolle bei Arteriosklerose, in der körpereigenen Immunabwehr und bei Krebs entscheidend sind.rn

Einfluss der AMPK-Aktivität auf Endothelfunktion, oxidativen Stress und vaskuläre Inflammation

Die AMPK ist ein ubiquitär exprimiertes, heterotrimeres Enzym, das bei Energiemangel das Überleben der Zelle sichert. Um diese Funktion ausüben zu können fungiert die AMPK als sogenannter „Energie-Sensor“, der durch steigende AMP Mengen aktiviert wird. In diesem Zustand werden ATP verbrauchende Reaktionen inhibiert und gleichzeitig ATP generierende Vorgänge induziert. Im vaskulären System konnte gezeigt werden, dass die endotheliale NOSynthase durch die AMPK aktiviert, die Angiogenese stimuliert, die Endothelzellapoptose und das Wachstum von Gefäßmuskelzellen inhibiert wird. All diese Prozesse sind fundamental in der Entwicklung von kardiovaskulären Krankheiten, was auf eine protektive Funktion der AMPK im vaskulären System hindeutet. In der vorliegenden Arbeit sollten die Effekte der in vivo Modulation der AMPK Aktivität auf Endothelfunktion, oxidativen Stress und Inflammation untersucht werden. Dazu wurden zwei unterschiedliche Mausmodelle genutzt: Einerseits wurde die AMPK Aktivität durch den pharmakologischen AMPK-Aktivator AICAR stimuliert und andererseits die vaskulär vorherrschende AMPK-Isoform durch knock out ausgeschaltet. Zur Induktion von oxidativem Stress wurde ein bereits charakterisiertes Angiotensin II-Modell angewandt. Zur Untersuchung gehörten neben den Superoxid-Messungen auch die Bestimmung der Stickstoffmonoxid-Mengen in Serum und Aortengewebe, die Relaxationsmessungen in isometrischen Tonusstudien sowie HPLC-basierte Assays. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Aktivierung der AMPK mittels AICAR die Angiotensin II induzierte Endotheldysfunktion, der oxidative Stress und auch die vaskuläre Inflammation verbessert werden konnte. Weiterhin zeigte sich dass der knock out der vaskulären Isoform (α1) im Angiotensin II Modell eine signifikant verstärkte Endotheldysfunktion, oxidativen Stress und Inflammation nach sich zog. Anhand der erhobenen Daten konnte die NADPH-Oxidase als Hauptquelle des Angiotensin II induzierten oxidativen Stresses identifiziert werden, wobei sich diese Quelle als AMPK sensitiv erwies. Durch die Aktivierung konnte die Aktivität der NADPH-Oxidase verringert und durch die α1AMPK Defizienz signifikant erhöht werden. Auch die mitochondriale Superoxidproduktion konnte durch die Modulation der AMPK Aktivität beeinflusst werden. Die vaskuläre Inflammation, die anhand der Surrogaten VCAM-1, COX-2 und iNOS untersucht wurde, konnte durch Aktivierung der AMPK verringert werden, der knock out der α1AMPK führte so einer sehr starken Expressionssteigerung der induzierbaren NO-Synthase, was in einem starken Anstieg der NO-Produktion und somit der Peroxynitritbildung resultierte.Die dargestellten Daten deuten stark auf eine protektive Funktion der AMPK im vaskulären System hin und sollte als therapeutisches Ziel, nicht nur in Bezug auf diabetische Patienten, in Betracht gezogen werden.