Oxidativer Stress und Gefäßfunktion : Untersuchungen zum Einfluss von Hydroperoxiden auf Kontraktion und Endothelfunktion in Arterien

Abstract

Einleitung: Oxidativer Stress spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung zahlreicher kardiovaskulärer Erkrankungen. Um die Einflüsse von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) auf Blutgefäße zu ermitteln, wurde die Wirkung von verschiedenen Hydroperoxiden auf die Radikalfreisetzung, die Kontraktilität und die Endothelfunktion von Gefäßpräparaten verschiedener Spezies untersucht. Darüber hinaus wurde die Endothel-vermittelte Vasorelaxation an Tiermodellen mit Hypertonie und Diabetes mellitus gemessen, da bei diesen Krankheiten eine durch ROS-bedingte endotheliale Dysfunktion postuliert wird.

Material und Methoden: Zur Ermittlung der Peroxid-stimulierten Radikalfreisetzung wurden Ringpräparate aus Rattenaorta, Arteria cerebri media vom Schwein, humanen Plazentagefäßen sowie humaner Arteria mammaria mit unterschiedlichen Konzentrationen von H2O2 und tert.-BHP inkubiert und die mit Luminol- oder Lucigenin- vermittelte Chemilumineszenz gemessen. Des Weiteren wurde die Wirkung von H2O2, tert.-BHP und KO2 unterschiedlicher Konzentrationen auf die Steigerung der Kontraktionskraft in mit KCl [30 mM] oder Serotonin [10 µM] vorkontrahierten Blutgefäßen - Rattenaorta, Kaninchencarotis, humane Plazentagefäße, sowie Arteria cerebri media vom Schwein - ermittelt. Zur Messung des Akuteffekts von ROS auf die endothelabhängige Vasorelaxation wurde die ACh-induzierte Relaxation unter direktem Peroxideinfluss bestimmt, wobei H2O2, tert.-BHP und O2-. (in Substanz mit KO2 oder enzymatisch mit Xanthin/Xanthinoxidase gebildet) zum Einsatz kamen.

Ergebnisse: Die Wirkung von H2O2 und tert.-BHP auf die vaskuläre Radikalfreisetzung verhielt sich in allen untersuchten Gefäßtypen ähnlich und wurde dosisabhängig gesteigert, wobei dieser Effekt bei der mit Luminol erfassbaren Radikalproduktion für H2O2 bis zu 1000fach größer sein konnte als für tert.-BHP. Die mit Lucigenin messbare Radikalproduktion war durch beide Peroxide wesentlich weniger stimulierbar. Der Anteil der Superoxidradikale an der Gesamtradikalbildung war für H2O2 gering, bei tert.-BHP dagegen entsprach die freigesetzte O2-.-Menge in etwa der gesamten Radikalproduktion. Nach Peroxidapplikation auf vorkontrahierte Gefäßpräparate war bei allen eingesetzten Gefäßspezies eine Zunahme der Kontraktionskraft zu verzeichnen. Der Betrag der Krafterhöhung unterschied sich in Abhängigkeit von der eingesetzten Gefäßart, dem verwendeten Peroxid sowie dessen Konzentration. Der Einfluss der Peroxide auf die Arteria cerebri media vom Schwein und auf Plazentagefäße war stärker ausgeprägt als auf Rattenaorten oder Kaninchencarotiden. Oxidativer Stress induzierte in den verschiedenen Gefäßen unterschiedliche Effekte auf die Endothelfunktion, wobei das Ausmaß des schädigenden Einflusses auf die Vasorelaxation wiederum von der eingesetzten Peroxidkonzentration sowie vom verwendeten Gefäßtyp abhing. Bei Hirngefäßen vom Schwein war schon bei geringer Peroxidkonzentration eine Schädigung der Endothelfunktion zu verzeichnen. Dagegen wiesen Peroxide in Rattenaorten sowie Kaninchencarotiden nicht nur schädigende Eigenschaften auf sondern konnten in den niedrigeren Konzentrationsbereichen zumindest bei kurzzeitiger Applikation die Endothel-vermittelte Vasorelaxation verbessern. Generell war bei diesen beiden Gefäßspecies der schädigende Einfluss von tert.-BHP größer als von H2O2. Mit KO2 oder Xanthin/Xanthinoxidase wurden sehr variable Ergebnisse erzielt. Denkbar ist, dass diese Unterschiede aufgrund der hierbei freigesetzten Superoxidradikale auftraten. Die Ergebnisse der Messungen mit hypertensiven Ratten zeigten, dass sowohl die Applikation von ACE-Hemmers Captopril als auch der AT1-Antagonisten Candesartan und Losartan eine signifikante Verbesserung der Endothelfunktion mit sich brachte. Diese Signifikanz ergab sich sowohl bei den Ratten mit Bluthochdruck als auch bei den zur Kontrolle gemessenen Standardratten. Die Messergebnisse der diabetischen Ratten zeigten, dass nach 11 Monate langer moderater hyperglykämischer Stoffwechselsituation in vitro keine signifikante Verminderung der Endothelfunktion ermittelt werden konnte.

Schlussfolgerung: Durch Hydroperoxide induzierter akuter oxidativer Stress kann die arterielle Gefäßkontraktilität erhöhen und verbessert in den meisten Fällen in niedriger Konzentration die Endothelfunktion, was durch unterschiedliche Effekte auf die intrazelluläre Ca2+-Homöostase erklärbar ist. Die bei Diabetes mellitus oder Hypertonie auftretende endotheliale Dysfunktion war an isolierten Gefäßpräparaten in vitro nicht messbar, so dass die pathologisch vasoaktiven Effekte eher auf Veränderungen von Blutfaktoren als auf Gefäßwandmechanismen zurückzuführen sind.

Introduction: Oxidative stress is assumed to be an important mechanism for the development of atherosclerotic lesions. To estimate the influence of reactive oxygen species (ROS) on blood vessels, we examined the effect of different hydroperoxides on free radical generation, contractility and endothelial function of vessels from different species. Furthermore, the endothelium dependent relaxation of hypertonic and diabetic rats was tested, because it is postulated, that endothelial function is impaired in these diseases.

Material and methods: To measure the peroxid stimulated free radical generation with luminol and lucigenin enhanced chemiluminescence, preparations from rats, porcine arteria cerebri media, human placenta and human arteria mammaria were incubated with different concentrations of H2O2 or tert.-BHP (tert.-butylhydroperoxide). In addition, the influence of different concentrations of H2O2, tert.-BHP and KO2 on contraction force was tested with preparations from rat aorta, rabbit arteria carotis, human placenta vessels and porcine arteria mammaria. Prior to the application of the different hydroperoxides, the vessel preparations were contracted by KCl [30 mM] or serotonine [10 mikroM]. To estimate the acute effect of ROS on endothelial function, we measured the acetylcholine dependent relaxation acutely influenced by the peroxides H2O2, tert.-BHP and O2.- - liberated from KO2 or the xanthine/xanthinoxidase (XOD) system.

Results: The influence of H2O2 or tert.-BHP on radical generation was similar in all four types of vessels and was enforced in a dose dependent manner. With luminol, this effect was 1000fold higher for H2O2 than for tert.-BHP, whereas the lucigenin enhanced chemiluminescence was only few stimulated. The part of superoxide anions in the whole radical production was little for H2O2 but came up to the total quantity with tert.-BHP. The addition of peroxides on precontracted arteries induced an enhancement of contraction force with all types of vessels used. The amount of this increase depended on the vessel species and the type and concentration of peroxide used. The influence on porcine arteria cerebri media and placenta vessels was much higher than that on rat aorta or rabbit arteria carotis. The effect of oxidative stress on endothelial function depended on the vessel type used and the applied peroxide concentrations. High concentrations caused damaging effects on the endothelial dependent relaxation, whereas lower concentrations revealed generally an improved relaxation. The results with KO2 and xanthine/XOD were quite different. After perfusion with these substances, there was either impairment or enhancement of endothelial relaxation. This improvement had a greater extent than H2O2 or tert.-BHP could achieve. For KO2 and Xanthin/XOD set free superoxidradicals, it is possible, that the different results are due to this radical species. The findings with hypertensive rats showed, that application of the ACE-inhibitor Captopril as well as of the AT1-antagonists Candesartan or Losartan resulted in a significant improvement of endothelial function in hypertensive as well as in standard rats. During a period of 11 months of experimental diabetes mellitus, rats with a moderate hyperglycemia did not develop significant endothelial dysfunction that could be measured in vitro.

Conclusion: Hydroperoxide induced acute oxidative stress increases arterial contractility and, in most cases at low concentrations, improves endothelial function. The in vivo postulated endothelial dysfunction in diabetes mellitus or hypertension could not be measured in vitro, perhaps because it is difficult to simulate all parameters that take part in the development of atherosclerosis.