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Hormon vom Herzen lässt Chirurgen hoffen

19.06.2000
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-TitelGovi-Verlag

ATRIALES NATRIURETISCHES PEPTID

Hormon vom Herzen lässt
Chirurgen hoffen

von Angelika Vollmar, München

Das Atriale Natriuretische Peptid ist ein 28 Aminosäure langes, ringförmiges Peptid, das hauptsächlich im Herzen synthetisiert wird und auf Dehnungsreize in die Zirkulation freigesetzt wird. Durch seine vasodilatierenden, diuretischen und natriuretischen Eigenschaften spielt es eine wesentliche Rolle bei der Regulation von Blutvolumen und Blutdruck. Wir entdeckten eine völlig neue Facette im Wirkspektrum des ANP. Das Peptidhormon besitzt immunmodulatorische Eigenschaften, indem es wichtige Funktionen von Immunzellen beeinflusst. Weiterhin kann ANP Gewebeschäden verringern, die bei Organtransplantationen auftreten (Ischämie-Reperfusionschäden). Diese zytoprotektiven Eigenschaften sind therapeutisch hoch interessant.

Obwohl bereits im vorletzten Jahrhundert vermutet wurde, dass dem Herzen eine Funktion bei der Regulation des Blutvolumens zukommt (1), gaben erst 1970 Henry und Gauer erste Erklärungen für einen derartigen Zusammenhang (2). Sie beobachteten, dass einer Druckerhöhung im rechten Vorhof unmittelbar eine Diurese folgt. Unabhängig von diesen Befunden lieferten elektronenmikroskopische Untersuchungen (3) erste morphologische Hinweise auf einen möglichen endokrinen Charakter des Herzens. So wurden elektronendichte sekretorische Granula in den Muskelzellen der Herzvorhöfe nachgewiesen, die man bisher nur in Drüsengewebe nachweisen konnte.

Die entscheidende Entdeckung gelang dann 1982 dem Kanadier de Bold durch ein einfaches, aber kluges Experiment. Er brachte die beiden Beobachtungen in Verbindung, indem er Ratten einen Extrakt aus Vorhofgewebe spritzte und die Nierenfunktion beobachtete. Er sah einen massiven Abfall des Blutdrucks und eine ausgeprägte Natriurese (4). Auf Grund dieses Ergebnisses postulierte er einen "natriuretischen Faktor" im Vorhof des Herzens. Innerhalb von nur drei weiteren Jahren war dieser Faktor isoliert und seine Struktur aufgeklärt. Es handelt sich um ein 28 Aminosäure langes ringförmiges Peptid. Diese Entdeckung hat weltweit Aufsehen erregt. Damit war klar, dass das Herz nicht nur eine mechanische Pumpe ist, sondern auch ein endokrines Organ.

ANP wirkt als Kreislaufhormon

ANP wird - wie auch andere Peptidhormone - als Vorläufermolekül (128 Aminosäuren lang) in hoher Konzentration in den Muskelzellen der Vorhöfe gespeichert. Nach Dehnung der Vorhöfe, beispielsweise durch erhöhten Blutdruck oder -volumen, wird das 28 Aminosäuren lange ANP in die Zirkulation freigesetzt. Mit dem Blut gelangt es an unterschiedliche Zielorgane, wo es an spezifische Rezeptoren bindet (5). Zwei Typen von membranständigen ANP-Bindungsstellen sind bekannt. Zum einen bindet ANP mit hoher Affinität an den Guanylatcyclase-gekoppelten A-Rezeptor. Das daraufhin intrazellulär gebildete cGMP stellt den "second messenger" zahlreicher biologischer Effekte des ANP dar. Zum anderen gibt es den C-Rezeptor. Dieser Rezeptor ist im wesentlichen dazu da, ANP aus der Zirkulation zu entfernen, scheint aber auch über eine Erniedrigung der cAMP-Konzentration in der Zelle biologisch aktiv zu sein. Das Peptid wird letztlich in Lysosomen degradiert.

Wichtige Zielorgane sind die Blutgefäße: ANP bedingt eine Erweiterung der Gefäße. An der Nebenniere hemmt das Peptid die Aldosteron-Freisetzung. An der Niere vermindert es die Synthese und Sekretion von Renin und löst eine Natriurese und Diurese aus. In der Kombination steuern alle diese Effekte einem erhöhten Blutdruck und Blutvolumen entgegen. ANP ist also ein wichtiger Regulator von Blutdruck und Blutvolumen und in dieser Funktion auch sehr gut studiert und akzeptiert (zur Übersicht: 6)

Ansätze, den Blutdruckregulator therapeutisch zu nutzen, verfolgen das Ziel, die Konzentration von endogenem ANP durch Hemmung seines Abbaus zu erhöhen. Diesbezüglich erwies sich kürzlich Omapatrilat, ein Hemmstoff der neutralen Endopeptidase (NEP), die ANP degradiert, als vielversprechend. Ein weiterer interessanter Ansatz, der sich in klinischer Erprobung befindet, ist es, die Clearance-Rezeptoren spezifisch zu blockieren, um so die Halbwertszeit des Peptidhormons zu erhöhen.

ANP beeinflusst Makrophagen im Immunsystem

In den 90er Jahren kam vermehrt die Frage auf, ob ANP nur im Herzen vorkommt oder auch in anderen Organen, die eine Rolle in der Regulation von Blutdruck und Blutvolumen spielen. Wir untersuchten dabei unter anderem den Darm auf ANP-Genexpression (zur Übersicht: 7). In der Tat konnten wir eine ANP-Synthese in unterschiedlichen Abschnitten des Darmes nachweisen. Völlig überraschend war aber die Lokalisation des Peptids im Intestinum: ANP-exprimierende Zellen wurden im lymphatischen Gewebe des Darms nachgewiesen.

Damit war erstmals die Idee eines Zusammenhangs zwischen ANP und dem Immunsystem geboren. Diese Hypothese wurde in der Folge durch Arbeiten bestärkt, in denen gezeigt wurde, dass das Peptid in zahlreichen "klassischen" Immunorganen wie dem Thymus, der Milz oder Lymphknoten produziert wird (zur Übersicht: 8).

Welche Funktionen hat nun dieses Kreislaufhormon im Immunsystem? Es wurde gezeigt, dass ANP im Thymus bei der Differenzierung und Reifung von T-Lymphozyten eine wichtige Rolle einnimmt (zur Übersicht: 8). Das Peptid beeinflusst weiterhin die Funktion von Makrophagen. Die Hemmung der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) durch ANP in aktivierten Makrophagen soll besonders hervorgehoben werden, da dieser Effekt therapeutisch genutzt werden kann (9). Stickstoffmonoxid (NO) wird in Makrophagen durch das von Zytokinen, Lipopolysacchariden oder eben ANP induzierbare Enzym NO-Synthase in großen Mengen produziert. Dieses NO ist zum einen wichtig für die Abwehr von Bakterien, Pilzen und Viren, schädigt aber andererseits Zellen im Rahmen einer Entzündungsreaktion. Daher suchen Forscher weitweit intensiv nach selektiven iNOS-Inhibitoren.

Wir konnten zeigen, dass ANP selektiv in die Regulation der iNOS-Expression eingreift. Das zyklische Peptid reduziert die DNA-Bindungsaktivität von NF-kB, einem wichtigen Transkriptionsfaktor der iNOS, und induziert einen beschleunigten Abbau der iNOS-mRNA in Makrophagen. Beide Effekte reduzieren die Menge an neu gebildetem iNOS-Protein und verringern damit die freigesetzten NO-Mengen (10). Interessanterweise wird ANP in Makrophagen selbst produziert (11) und kann über einen autokrinen Mechanismus die Zellen vor übermäßiger Produktion von NO schützen (10). Auf Grund dieser Fähigkeiten könnte ANP zellschützende Eigenschaften haben. Diese Annahme wird unterstützt durch Untersuchungen, die von der Gruppe um Professor Dr. Alexander L. Gerbes am Klinikum Großhadern, München, ausgeführt wurden. Gerbes konnte zeigen, dass ANP einen positiven Effekt bei Ischämie-Reperfusionschäden der Leber hat (12).

Ischämie-Reperfusionschaden gefährdet Transplantate

Ischämie-Reperfusionschäden treten immer dann auf, wenn ein Gewebe von der normalen Blutzufuhr abgetrennt ist, in der Chirurgie vor allem bei der Organdissektion und -transplantation. Beispielsweise kommt es bei Explantation und folgender Konservierung der Leber zu einer Minderversorgung des Organs mit Sauerstoff und anderen wichtigen Blutbestandteilen. Diese Phase nennt man daher Ischämie. Dann wird das Organ in den Empfänger implantiert und an die Zirkulation angeschlossen. Dieser Zeitpunkt wird Reperfusion genannt. Sowohl in der Ischämie- als auch in der Reperfusionsphase laufen nun komplexe Prozesse ab, die das Gewebe ernsthaft schädigen.

Ischämie-Reperfusionschäden sind ein schwerwiegendes Problem in der Transplantationschirurgie. Statistiken belegen, dass dieser initiale Schaden häufig der Grund für eine Dysfunktion oder einen kompletten Ausfall des neuen Organs und in der Folge sogar einer erneuten Transplantation ist (13). Daher ist es von größter klinischer Bedeutung, Substanzen zu finden, die diesen Schaden reduzieren können.

ANP besitzt dieses Potenzial. Am Modell der isoliert perfundierten (von einer Lösung "durchflossenen") Rattenleber zeigten die Kliniker, dass das Peptidhormon signifikant die Schädigung des Lebergewebes nach der Reperfusion reduzieren kann, wenn es vor der Ischämiephase durch die Leber perfundiert und der Konservierungslösung zugesetzt wird. In ist dies anhand der Laktat-Dehydrogenase-(LDH)-Werte im Perfusat zu erkennen. Die Freisetzung von LDH aus dem Lebergewebe ins Perfusat dient als verlässlicher Parameter einer Zellschädigung.

Zytoprotektion durch ANP

Studien zu den molekularen Mechanismen, die dieser Zytoprotektion zugrunde liegen, müssen jetzt folgen, um die Basis für einen rationalen Einsatz des ANP als Therapeutikum zu legen. Voraussetzung dafür ist es wiederum, die molekularen Mechanismen zu kennen, die zum Ischämie-Reperfusionschaden führen. Es wird postuliert, dass Prozesse, die nur in den Hepatozyten ablaufen, die Leberzellen in der Ischämiephase schädigen. Diskutiert werden Faktoren wie Erniedrigung der ATP-Level, Erhöhung von intrazellulärem Calcium und/oder Natrium oder Aktivierung von unterschiedlichen Proteasen und Phospholipasen.

Während der Reperfusion der Leber entstehen zusätzliche Zellschäden. Vermutlich spielen dabei sinusoide Zellen, nämlich aktivierte Kupffer-Zellen, akkumulierende Granulozyten und Endothelzellen, eine wesentliche Rolle (Als Sinusoide bezeichnet man besonders weite Blut- und Lymphkapillaren, zum Beispiel in der Leber). Diese Zellen setzen proinflammatorische Moleküle wie reaktive Sauer- und NO-Spezies, Zytokine wie Tumornekrosefaktor (TNF), Interleukine oder Prostaglandine frei. Damit lösen sie eine vaskuläre Entzündung aus, stören die Mikrozirkulation und schädigen somit das Lebergewebe (14).

In enger Kooperation mit den Klinikern und mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft arbeiten wir an der Klärung der molekularen Mechanismen, die dem schützenden Effekt von ANP zugrunde liegen. Diskutiert wird die Möglichkeit, dass das Peptidhormon die Produktion von zellschädigenden Faktoren reduziert. Denkbar wäre aber auch, dass es zellschützende Mechanismen wie antioxidative Enzyme oder Chaperone induziert. Chaperone – wörtlich übersetzt "Anstandsdamen" – sind eine Gruppe von Proteinen, die die Faltung anderer Proteine in deren biologisch aktive Form unterstützt. Sie können andererseits Interaktionen mit unerwünschten Proteinen verhindern. Dank dieser Funktionen besitzen Chaperone wichtige zellschützende Eigenschaften. Wir haben ferner erste Hinweise, dass ANP die TNFa-Expression in der Leber über die Hemmung des proinflammatorischen Transkriptionsfaktors NF-kB (15) signifikant reduziert (16).

Das Peptidhormon besitzt also ein Potenzial zur Minimierung von Ischämie-Reperfusionschäden und könnte als Zytoprotektivum therapeutisch eingesetzt werden. Studien zu den molekularen Wirkmechanismen wie auch zur Stabilität der Substanz und ihrer klinischen Anwendbarkeit sind im Gange. Neben seiner wichtigen Rolle in der Regulation der Herz-Kreislauf-Funktionen könnten auch die immunmodulatorischen Eigenschaften therapeutisch genutzt werden.

Literatur:

  1. Hartshorne, H., Water versus hydrotherapy or an essay on water and its true relation to medicine. P28. Lloyd P. Smith, Philadelphia 1847.
  2. Gauer, O. H., Henry, J. P., Behn, C., The regulation of extracellular fluid volume. Ann. Rev. Physiol. 35 (1970) 547-595.
  3. Kisch, B., Electron microscopy of the atrium of the heart. I. Guinea pig. Exp. Med. Surg. 14 (1956) 99-101.
  4. DeBold, A. J., et al., A rapid and potent natriuretic response to intravenous injection of atrial myocardial extracts in rats. Life Sci. 28 (1981) 89-94.
  5. Maack, T., Receptors of natriuretic peptides: structure, function and regulation. In: Laragh J. H., Brenner B. M. (eds), Hypertension: pathophysiology, diagnosis, and management, ed 2. Raven Press, New York 1995, S. 1001-1019.
  6. Rosenzweig, A., Seidman, C. E. E., Atrial natriuretic factor and related peptide hormones. Annu. Rev. Biochem. 60 (1991) 229-255.
  7. Vollmar, A. M., Atrial natriuretic peptide in peripheral organs other than the heart. Klin. Wschr. 68 (1990) 699-708.
  8. Vollmar, A. M., Natriuretic peptides and Immune Function. In: Samson, W. K., Levin, E. R. (eds.), The Natriuretic Peptides. Contemporary Endocrinology - a series by Conn, P. M., The Humana Press INC (1997) 275-289.
  9. Kiemer, A. K., Vollmar, A. M., Effects of different natriuretic peptides on nitric oxide synthesis in macrophages. Endocrinology 138 (1997) 4282-4290.
  10. Kiemer, A. K., Vollmar, A. M., Autocrine regulation of inducible nitric-oxide synthase in macrophages by Atrial Natriuretic Peptide. J. Biol. Chem. 273 (1998) 13444-13451.
  11. Vollmar, A. M., Schulz, R., Expression and differential regulation of natriuretic peptides in mouse macrophages. J. Clin. Invest. 95 (1995) 2442-2450.
  12. Bilzer, M., et al., Prevention of ischemia/reperfusion injury in the rat liver by atrial natriuretic peptide. Gastroenterol. 106 (1994) 143-151.
  13. Clavien, P. A., Harvey, P. R. C., Strasberg, S. M., Preservation and reperfusion injuries in liver allografts. Transplantation 53 (1992) 957-978.
  14. Gerbes, A. L., et al., The guanylate-cyclase coupled natriuretic peptide (GC-A) receptor - a new target for prevention of cold ischemia-reperfusion damage of the rat liver. Hepatol. 28 (1998) 1309-1317.
  15. Bilzer, M., et al., Prevention of Kupffer cell-induced oxidant injury in rat liver by atrial natriuretic peptide. Am. J. Physiol. 276 (1999) G 1137-1140.
  16. Kiemer, A. K., et al., Atrial Natriuretic Peptide reduces expression of TNF-a-mRNA during reperfusion of the rat liver upon decreased activation of NF-kB and AP-1. J. Hepatol (2000) im Druck.

Anschrift der Verfasserin:
Professor Dr. Angelika M. Vollmar,
Institut für Pharmazie - Zentrum für Pharmaforschung,
Butenandtstraße 5 - 13
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