Untersuchungen zum Einfluss des HMG-CoA-Reduktase-Inhibitors Lovastatin auf die Toxizität ionisierender Strahlung sowie des Anthrazyklinderivats Doxorubicin im Mausmodell

Hintergund: HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren (Statine) sind klinisch etablierte Cholesterinsenker. Über die Inhibition der intrinsischen Cholesterinbiosynthese hinaus zeigen sie sogenannte pleiotrope biologische Effekte. Ein Großteil dieser Wirkungen wird auf die Inhibition kleiner Ras homologer GTPasen (Rho GTPasen) zurückgeführt. In vitro schützt das Statinderivat Lovastatin (Lova) primäre humane Endothelzellen vor der Zytotoxizität von ionisierender Strahlung (IR) und dem Krebsmedikament Doxorubicin (Doxo). Zielsetzung: Die Relevanz dieser Befunde für ein in vivo Mausmodell sollte in der vorliegenden Arbeit überprüft werden. Dafür wurden BALB/c-Mäuse mit IR oder Doxo behandelt und der Einfluss einer Kobehandlung mit Lova auf verschiedene Toxizitätsendpunkte untersucht (24 h nach einer einzelnen hohen Dosis IR (i), 14 Tage nach zwei geringen Dosen IR (ii), 48 h nach einer einzelnen hohen Dosis Doxo (iii), sowie 8 Tage nach drei niedrigen Dosen Doxo (iv)). Eine mögliche gleichzeitige Protektion von Tumorzellen durch die Statingabe wurde in einem Xenotransplantationsexperiment überprüft (v), in dem das gleiche Behandlungsschema wie bei iv angewendet wurde. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass eine Statinbehandlung Normalgewebe vor Doxo- und IR-induzierter Toxizität schützt, ohne gleichzeitig protektiv auf transformierte Zellen zu wirken. Dieser Effekt ist wahrscheinlich von einer Inhibition der kleinen GTPasen Rac1 und RhoA abhängig und einer daraus folgenden Modifizierung der DNA-Schadensantwort. i: Die Statinvorbehandlung der Mäuse hatte keinen Einfluss auf die Bildung von initialen IR-induzierten DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) in der Leber. Die Lova-Behandlung wirkte sich jedoch auf IR-induzierte Stressantworten aus, was sich in einer Minderung der Expression von Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern in Leber und Darm widerspiegelte. ii: In der Lunge der Tiere wurde ein Anstieg von molekularen Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern detektiert, der bei Statinkobehandlung ausblieb. Zudem verhinderte die Kobehandlung mit Lova eine IR-induzierte Abnahme der Thrombozytenzahl, ohne sich auf die durch IR verringerte Leukozytenzahl im Blut auszuwirken. iii: Die Verabreichung einer hohen Dosis Doxo induzierte DSB-Formation in der Leber. Die Statinvorbehandlung reduzierte deren Menge um ca. 50 %. Dieser genoprotektive Effekt war unabhängig von der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies sowie einer Änderung des Doxo-Imports oder Exports. Die Expression von proinflammatorischen und profibrotischen Genen fiel besonders in der Leber und im Herzen durch die Lova-Kobehandlung geringer aus, als in der nur mit Doxo behandelten Gruppe. Zudem verringerte Lova die durch Doxo induzierte Hochregulation von für den AP1-Komplex kodierenden Genen sowie von Zellzykluskontrollfaktoren. Die Lova-Vorbehandlung führte darüber hinaus im Herzen zu einem reduzierten mRNA-Spiegel der Topoisomerasen II α und β. iv: Es konnten schwere Herz- und Leberschäden detektiert werden (gemessen an Gldh-, Gpt- sowie cTn-I-Serumkonzentrationen), die bei einer Kobehandlung mit dem Statin nicht auftraten. Die Lova-Kobehandlung verhinderte außerdem eine durch die Doxo-Behandlung verringerte Leukozytenzahl. Molekulare Marker für frühe fibrotische Ereignisse, sowie für Inflammation und Hypertrophie waren in der Leber und im Herzen nach der Doxo-Behandlung erhöht. Das Statin war auch hier in der Lage, diese toxischen Wirkungen des Anthrazyklins zu mindern. Auch die Doxo-induzierte Expression von Surrogatmarkern für Zellantworten auf oxidativen Stress wurde in der Leber abgeschwächt. In der Leber und im Herzen wiesen die mit Doxo behandelten Tiere höhere mRNA Spiegel von an Zellzykluskontrolle beteiligten Faktoren sowie von DNA-Reparatur und Fremdstoffmetabolismus assoziierten Genen auf. Am stärksten wurde die Expression von Topoisomerase II alpha - ein molekularer Marker für Zellproliferation und bedeutsame Zielstruktur von Doxo - in der Leber hochreguliert. Die Statin-Kobehandlung verhinderte all diese Doxo-induzierten Expressionsänderungen. Im Gegensatz zur Leber wurde die Top2a-mRNA Menge im Herzen durch die Doxo-Applikation reduziert. Auch hier bewirkte die Kobehandlung mit dem Statin, dass die Expression nahe dem Kontrollniveau blieb. v: Die Kobehandlung mit Lova führte zu keinem Schutz der Tumorzellen vor Doxo, sondern erhöhte sogar dessen antineoplastisches Potential.rnFazit: Die Erkenntnisse aus vorhergegangenen in vitro Versuchen konnten zum großen Teil auf die in vivo Situation im Mausmodell übertragen werden. Sie stehen im Einklang mit Ergebnissen anderer Gruppen, welche die Inhibition kleiner GTPasen mit einer geringeren, durch zytotoxische Substanzen induzierten, Inflammation und Fibrose korrelieren konnten. Eine Kobehandlung mit Lova während einer Krebstherapie erscheint somit als vielversprechende Möglichkeit Doxo- oder IR-induzierte Nebenwirkungen auf Normalgewebe zu mildern.

HMG-CoA Reductase Inhibition Promotes Neurological Recovery, Peri-Lesional Tissue Remodeling, and Contralesional Pyramidal Tract Plasticity after Focal Cerebral Ischemia

3-Hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A (HMG-CoA) reductase inhibitors are widely used for secondary stroke prevention. Besides their lipid-lowering activity, pleiotropic effects on neuronal survival, angiogenesis, and neurogenesis have been described. In view of these observations, we were interested whether HMG-CoA reductase inhibition in the post-acute stroke phase promotes neurological recovery, peri-lesional, and contralesional neuronal plasticity. We examined effects of the HMG-CoA reductase inhibitor rosuvastatin (0.2 or 2.0 mg/kg/day i.c.v.), administered starting 3 days after 30 min of middle cerebral artery occlusion for 30 days. Here, we show that rosuvastatin treatment significantly increased the grip strength and motor coordination of animals, promoted exploration behavior, and reduced anxiety. It was associated with structural remodeling of peri-lesional brain tissue, reflected by increased neuronal survival, enhanced capillary density, and reduced striatal and corpus callosum atrophy. Increased sprouting of contralesional pyramidal tract fibers crossing the midline in order to innervate the ipsilesional red nucleus was noticed in rosuvastatin compared with vehicle-treated mice, as shown by anterograde tract tracing experiments. Western blot analysis revealed that the abundance of HMG-CoA reductase was increased in the contralesional hemisphere at 14 and 28 days post-ischemia. Our data support the idea that HMG-CoA reductase inhibition promotes brain remodeling and plasticity far beyond the acute stroke phase, resulting in neurological recovery.

Adriamycin treatment increases 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase and isoprene biosynthesis in the rat liver

Treatment of rats with Adriamycin caused an increase in the incorporation into hepatic cholesterol of [1-14C] acetate, but not of [2-14C] mevalonate. The step affected was found to be 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase whose activity in the liver microsomes increased in Adriamycin-treated animals, but was inhibited when the drug was added in the assay medium. Also, the concentration of ubiquinone in the liver and of cholesterol in the plasma increased.

Stimulation of hepatic 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase on administration of ATP

The depressed activity of hepatic 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase in starved or cholesterol fed rats was stimulated on intraperitoneally administering small quantities of ATP.

The nature of inhibition of 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase by garlic-derived diallyl disulfide

A concentration dependent inhibition of 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA (HMG CoA) reductase was found on preincubation of microsomal preparations with diallyl disulfide, a component of garlic oil. This inhibited state was only partially reversed even with high concentrations of DTT. Glutathione, a naturally occurring reducing thiol agent, was ineffective. The substrate, HMG CoA, but not NADPH, was able to give partial protection for the DTT-dependent, but not glutathione-dependent activity. The garlic-derived diallyl disulfide is the most effective among the sulfides tested for inhibition of HMG CoA reductase. Formation of protein internal disulfides, inaccessible for reduction by thiol agents, but not of protein dimer, is likely to be the cause of this inactivation.

Irreversible inactivation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase by H2O2

A concentration-dependent inactivation of 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA (HMG-CoA) reductase was found on reincubation of rat liver microsomal preparations with H2O2 and at lower concentrations in the presence of KCN which inhibited the contaminating catalase. The inactivation was not affected in the presence quenchers of hydroxyl radicals and singlet oxygen and was also obtained when H2O2 was added during the reaction. HMG-CoA, but not NADPH, partially protected the enzyme from H2O2-inactivation. Even at high concentration DTT was unable to reverse this inactivation. The soluble 50 kDa-enzyme was similarly inactivated by H2O2, and the tryptic-digest of the inactivated protein indicated the presence of a disulfide-containing peptide. The results support the view that H2O2 by directly acting on the catalytic domain possibly converts an active thiol group to an inaccessible disulfide and irreversibly HMG-CoA reductase.

On the involvement of intramolecular protein disulfide in the irreversible inactivation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase by diallyl disulfide

Treatment with diallyl disulfide, a constituent of garlic oil, irreversibly inactivated microsomal and a soluble 50 kDa form of HMG-CoA reductase. No radioactivity was found to be protein-bound on treating the soluble enzyme with [35S]diallyl disulfide, indicating the absence of the mixed disulfide of the type allyl-S-S-protein. SDS-PAGE and Western blot analyses of the diallyl-disulfide-treated protein showed no traces of the dimer of the type protein-S-S-protein, but clearly indicated BME-reversible increased mobility, as expected of an intramolecular protein disulfide. The sulfhydryl groups, as measured by alkylation with iodo[2-14C]acetic acid, were found to decrease in the diallyl-disulfide-treated enzyme protein. Tryptic peptide analysis also gave support for the possible presence of disulfide-containing peptides in such a protein. It appears that diallyl disulfide inactivated HMG-CoA reductase by forming an internal protein disulfide that became inaccessible for reduction by DTT, and thereby retaining the inactive state of the enzyme.

Preparation of a soluble 58kDa-3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase from liver microsomes and its inhibition by ethoxysilatrane, a hypocholesterolemic compound

On repeated thawing at room temperature of frozen preparations of heavy microsomes from rat livers, HMGCoA reductase activity was solubilized due to limited proteolysis. This soluble enzyme was partially purified by fractionation with ammonium sulfate and filtration on Sephacryl S-200 column. The active enzyme was coeluted with a major 92 kDa-protein and was identified as a 58kDa-protein after separation by SDS-PAGE and immunoblotting. Ethoxysilatrane, a hypocholesterolemic compound, which decreased the liver-microsomal activity of HMGCoA reductase on intra-peritonial treatment of animals, showed little effect on the enzyme activity with isolated microsomes or the 50kDa-soluble enzyme when added in the assay. But it was able to inhibit the activity of the soluble 58kDa-enzyme in a concentration-dependent, reversible manner. Cholesterol and an oxycholesterol were without effect whereas chlorophenoxyisobutyrate and ubiquinone showed small inhibition under these conditions. The extra region that links the active site domain (50kDa protein) to the membrane, present in the 58kDa-protein appears to be involved in mediating the inhibition by silatrane.