Regulation der Apoptose mononukleärer Leukozyten bei erhöhten Sauerstoffpartialdrücken

Abstract

Erhöhte Sauerstoffpartialdrücke können humane Zellen auf verschiedene Weisen schädigen. Ein wesentlicher Mechanismus ist dabei die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies. In jüngster Zeit mehren sich die Anzeichen dafür, dass ein erhöhter Sauerstoffpartialdruck auch den programmierten Tod (Apoptose) von immunkompetenten Zellen auslösen kann.<br /> Taucher sind durch die erhöhten Umgebungsdrücke einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt. Besonders im behördlichen und gewerblichen Tätigkeitsfeld, z. B. bei den Waffentauchern der Spezialisierten Einsatzkräfte der Marine, sind durch die Verwendung von speziellen Kreislauftauchgeräten im Vergleich zur normobaren Umgebung bis zu siebenfach erhöhte Sauerstoffpartialdrücke gegeben. Eine immunsuppressive Wirkung durch Induktion von Apoptose erscheint somit möglich. Dies könnte in gesundheitlichen Schäden und konsekutiv verminderten Einsatzzeiten resultieren.<br /> Diese Arbeit untersucht die Induktion von Apoptose bei mononukleären Zellen durch hohe Sauerstoffpartialdrücke in vivo. In der Studie wurde die Expression des pro-apoptotischen Gens Bax und der anti-apoptotischen Gene Bcl-2 und Bcl-xl, sowie der Aktivierung von Kaspase-3 als Endstreckenmarker der Apoptose jeweils unmittelbar vor und 24 h nach einer hyperbaren Sauerstoffexposition im Rahmen einer Druckkammerfahrt verglichen. Die Genexpression wurde dabei mittels mRNA-Transkription in cDNA und anschließender Quantifizierung mittels BCA Protein Essay untersucht. Die Quantifizierung der Aktivierung von Kaspase-3 und der Bcl-2-Aktivität im Serum erfolgte mittels Fluoreszenzmarkierung durch einen Cluster Bead Array in der Durchflußzytometrie.<br /> Eingeschlossen wurden n=29 Probanden in der Belastungsgruppe, die einem _PUmgebung=2,8 bar bei einem f_iO₂=1,0 über 30 min ausgesetzt waren, und n=32 Probanden in der Kontrollgruppe, die einem _PUmgebung=2,8 bar bei einem f_iO₂=0,21 über 30 min ausgesetzt waren. <br /> In der Kontrollgruppe fanden sich deutlich nachweisbare Veränderungen auf molekularer Apoptosesignalebene: Das proapoptotische Gen Bax wurde signifikant hochreguliert, ebenso erfolgte eine erhöhte Expression des antiapoptotischen Gen Bcl-2. Eine Veränderung der Aktivierung von Kaspase-3 war nicht nachweisbar. Die deutliche Erhöhung der Sauerstoffexposition bei der Belastungsgruppe resultierte nicht in der erwartungsgemäßen Zunahme dieser Effekte. Die Expression sowohl von Bax, als auch von Bcl-2 war nicht erhöht. Ein signifikanter Anstieg der Kaspase-3-Aktivierung konnte nicht nachgewiesen werden, allenfalls ein Trend hin zu einer vermehrten Aktivierung. Für eine endgültige Bewertung müsste ein wesentlich größeres Kollektiv untersucht werden. <br /> Die Studie zeigte, dass eine Exposition mit hohen Sauerstoffpartialdrücken prinzipiell eine Apoptose von mononukleären Zellen auslösen kann. Der Apoptose-induzierende Effekt ist, falls vorhanden, allerdings so schwach, dass sich die Frage nach der Bedeutung stellt. Dies widerspricht der initialen Hypothese, dass eine steigende Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks in vivo eine deutlich linear ansteigende Apoptoseinduktion bewirkt. <br /> Ein möglicher Erklärungsansatz ist eine verbesserte zelluläre Kompensationskapazität gegenüber Sauerstofftoxizität bei der Belastungsgruppe durch ein höheres Ausdauertrainingspensum oder regelmäßige hyperbare Exposition. Da diese Variable im Studiendesign jedoch nicht erfasst worden ist, ist sie nicht abschließend zu bewerten. Desweiteren ist eine nicht lineare Wirkung hyperbarer Sauerstoffexposition denkbar, die in einem bisher nicht näher definierten „therapeutischen Bereich“ durch Induktion von Kompensationsmechanismen einen zumindest verminderten Apoptose-promovierenden Effekt, möglicherweise sogar Apoptose-inhibierenden Effekt haben könnte.