Regulation von Expression und Aktivität der Arginase durch Pflanzenextrakte in humanen Endothelzellen unter experimenteller Hyperglykämie

Abstract

Endothelzellen sind an vielen physiologischen Prozessen des kardiovaskulären Systems beteiligt. Eine wichtige Funktion ist die Synthese des vasoprotektiven Signalmoleküls Stickstoffmonoxid (NO), welches die Relaxation von Blutgefäßen bewirkt. Eine Störung der Endothelfunktion gilt als Beginn der Pathogenese vieler Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Auch beim Diabetes mellitus ist die gestörte Funktion des Endothels und die dadurch reduzierte Bildung von NO ein wesentlicher Mechanismus der Entstehung von diabetischen Gefäßschädigungen. Einige Studien fanden heraus, dass die unter pathophysiologischen Bedingungen verminderte Bildung von NO auf die eingeschränkte Verfügbarkeit des Substrats der NO-Synthase, L-Arginin, zurückzuführen ist. Dabei berichteten verschiedene Autoren, dass es im diabetischen Gefäßsystem zu einer Veränderung der Expression und / oder Aktivität des Enzyms Arginase kommt. Die Arginase hydrolysiert L-Arginin zu L-Ornithin und Harnstoff, sodass eine unter pathophysiologischen Bedingungen überaktive Arginase das NO-Defizit und die endotheliale Dysfunktion erklären könnte. Welche Mechanismen zum Anstieg von Expression und Aktivität der Arginase im diabetischen Gefäß führen, ist noch nicht vollständig aufgeklärt. In dieser Arbeit wurden die Expression und Aktivität der Arginase und ihre Regulation in kultivierten humanen Endothelzellen unter hyperglykämischen Bedingungen untersucht. In der immortalisierten Zelllinie EA.hy926 wurde untersucht, ob die in der Literatur beschriebene Hochregulation der Arginase auf der Transkriptionsebene (mRNA), der Translationsebene (Protein) oder der Funktionsebene (Aktivität) stattfindet. Mit Hilfe ausgewählter Pflanzenextrakte wurde schließlich versucht, die Hochregulation der Arginase unter High Glucose zu verringern oder zu verhindern, da dies ein neuer Ansatz zur Prävention der frühzeitigen diabetischen Gefäßschädigungen sein könnte. Parallel hierzu wurde untersucht, wie sich die Hochregulation der Arginase auf die Expression der endothelialen NO-Synthase auswirkt. Es zeigte sich, dass von den beiden bekannten Arginase-Isoformen (Arginase 1 und 2) Arginase 2 die prädominante Isoform in EA.hy926-Zellen ist. Die Hochregulation der Arginase 2 unter High Glucose erfolgte auf der Transkriptionsebene. Die Änderung der Genexpression von ARG2 und NOS3 verlief dabei in entgegengesetzte Richtungen (ARG2 ↑, NOS3 ↓). Von den untersuchten Pflanzenextrakten wurden Ginseng, Ginkgo und Rosskastanie als Arginase-Inhibitoren identifiziert. Granatapfel und Mariendistel steigerten die Arginase-Aktivität, während Olive keinen Effekt hatte. Durch die Kombination der hemmenden Pflanzenextrakte konnte der inhibitorische Effekt der Einzelextrakte verstärkt werden. Der Zusatz von Olive zu der Pflanzenkombination verstärkte die Hemmung der Enzymaktivität nicht weiter. Die Hochregulation der endothelialen Expression und Aktivität der Arginase 2 scheint ein Mechanismus zu sein, der die Bildung des gefäßprotektiven NO bei Diabetes mellitus durch Einschränkung der Verfügbarkeit von L-Arginin vermindert. Ausgewählte Pflanzenextrakte können diesen Effekt reduzieren und potentiell in der Prävention früher diabetischer Gefäßfunktionsschädigungen eingesetzt werden.