Bereich: Grundlagenforschung Neurowissenschaften und Erkrankungen des Nervensystems

Prof. Dr. Christian Grimm Zürich		PD Dr. Andreas Wenzel Zürich		Dr. Helmut Mayser Tübingen
PD Dr. Mathias Seeliger  Tübingen		Marijana Samardzija  Zürich		Prof. Max Gassmann  Zürich

Zusammenfassung
Das in der Niere gebildete Hormon Erythropoietin (EPO) ist verantwortlich für die Bildung von roten Blutkörperchen bei Sauerstoffmangel. In der Medizin wird EPO zur Behandlung von «Blutarmut» (Anämie), insbesondere bei nierenkranken Patienten benutzt. Mit der vorliegenden Arbeit konnten wir zeigen, dass EPO unter Sauerstoffarmut auch in der Netzhaut produziert wird. Das so gebildete körpereigene EPO wie auch ein durch eine Spritze verabreichtes EPO-Medikament kann im Tierexperiment die Netzhaut vor einer Degeneration schützen, indem es den Tod der Sehzellen verhindert. Mit Hilfe verschiedener Experimente konnten wir zudem die molekularen Mechanismen, die zu diesem Schutz führen weitgehend entschlüsseln. Zusammen mit der Erkenntnis, dass EPO auch eine schützende Funktion im Gehirn übernehmen kann (kürzlich durch ein Forscherteam um Max Gassmann am physiologischen und veretinärphysiologischen Institut der Uni Zürich gezeigt) wächst mit unseren Resultaten die Hoffnung, dass EPO auch bei neuronalen Erkrankungen beim Menschen als Medikament eingesetzt werden könnte.

Obwohl längerfristiger Sauerstoffmangel eine Degeneration von Netzhautzellen hervorruft, kann eine kurze Periode mit reduziertem Sauerstoff die Zellen der Netzhaut vor einer induzierten Degeneration schützen: Zwei Gruppen von Mäusen wurden kurzen Belichtungen mit hohen Lichtintensitäten ausgesetzt. Eine Gruppe atmete vor der Belichtung während 6 Stunden Luft mit reduziertem Sauerstoffgehalt (hypoxische Präkonditionierung) während die andere Gruppe in normaler Umgebungsluft gehalten wurde. Es zeigte sich, dass die mit weniger Sauerstoff 'vorbereiteten' Mäuse vollständig vor Lichtschaden geschützt waren und die Netzhautfunktion durch die Belichtung unbeeinträchtigt blieb. Im Gegensatz dazu führte die Lichtexposition in der Kontrollgruppe zum Tod der Sehzellen und zum fast vollständigen Funktionsverlust der Netzhaut. Spezifische Proteinmessungen zeigten, dass die hypoxische Präkonditionierung die Menge des Transkriptionsfaktors HIF-1a in der Netzhaut durch Stabilisierung des Proteins um ein Vielfaches steigerte. Da die Genexpression von EPO durch HIF-1 reguliert wird, bewirkte dies, dass auch etwa 10x mehr EPO-Boten-RNS in der Netzhaut gebildet wurde. Die Zunahme von HIF-1a, die Produktion der EPO-Boten-RNS und der Schutz vor Lichtschaden waren umgekehrt proportional zum Sauerstoffgehalt der Luft, in der die Mäuse präkonditioniert wurden: Je weniger Sauerstoff in der Atemluft vorhanden war, desto mehr HIF-1a Transkriptionsfaktor und EPO-Boten-RNS fanden sich in der Netzhaut und umso besser waren die Sehzellen der Netzhaut vor der Degeneration geschützt.

Ein ähnlicher Schutzeffekt konnte auch durch die direkte Verabreichung von EPO in die Bauchhöhle der Tiere erreicht werden. Eine einmalige Spritze kurz vor oder kurz nach der Lichtexposition verhinderte in grossem Masse das Absterben der Sehzellen.
Schädigendes Licht wird durch das Sehpigment Rhodopsin absorbiert, was durch noch unbekannte Mechanismen den Transkriptionsfaktor AP-1 sowie ein Enzym mit proteolytischen Eigenschaften (caspase-1) aktiviert. Die hypoxische Präkonditionierung sowie das durch Injektion verabreichte Hormon EPO greifen nun in diese Kaskade von Aktivierungsprozessen ein und verhindern zum Beispiel die Aktivierung der Caspase-1 Genexpression. Dadurch wird die Ausführung des Selbstmordprogrammes in den Sehzellen unterbunden und die Zellen bleiben trotz des hohen Lichtreizes lebensfähig und funktionell.

Bedeutung der Arbeit
Netzhautdegenerationen gehören zu den häufigsten Erblindungsursachen in der westlichen Welt. Etwa 20% der über 65-jährigen Menschen leiden an der altersabhängigen Makuladegeneration (AMD) und eine Person aus 3500 erblindet durch Retinitis Pigmentosa (RP, Tunnelsicht). Die Ursachen für die Erkrankungen sind unterschiedlich. Während bei der AMD noch kaum kausale Faktoren (zum Beispiel Genmutationen) sondern 'nur' Risikofaktoren wie Rauchen und starke Lichtexpositionen bekannt sind, weiss man, dass RP durch weit über 100 Mutationen in über 30 Genen ausgelöst und durch Lichtbelastungen beschleunigt werden kann. Beide Erkrankungen können heutzutage nur in Ausnahmefällen behandelt werden. Die Heterogenität der Ursachen macht die Entwicklung von erfolgreichen Therapien äusserst aufwändig und schwierig. Beide Krankheitsverläufe beinhalten jedoch ein Absterben der Sehzellen durch ein genetisch definiertes Programm: Apoptose. Obwohl auch dieses Programm durch die verschiedensten Stimuli ausgelöst und sehr heterogen ablaufen kann, bleibt die Hoffnung, dass ein Eingreifen in das apoptotische Programm die Netzhautdegeneration bei einem breiten Spektrum von Patienten verhindern kann. Sollte dies gelingen, so stehen die Chancen gut, dass auch die Funktion der Netzhaut und somit die Sehkraft des Patienten zumindest für eine gewisse Zeit erhalten werden können.

Unsere Forschung beschäftigt sich mit der Aufklärung der Signalwege, die zur Induktion und Ausführung dieses apoptotischen Programmes führen. Sind die beteiligten Proteine bekannt, können geeignete Mittel gesucht werden, um die entsprechenden Signalwege zu blockieren. Mit unserer Arbeit haben wir ein solches Mittel in EPO gefunden - zumindest für die Netzhautdegeneration nach Induktion durch überschwelliges Licht. Da EPO bei anderen Krankheitsbildern (vor allem Anämie) schon seit längerem klinisch erprobt ist, wäre der Weg vom Laborexperiment zu klinischen Versuchen bei Netzhautpatienten nicht mehr weit. Allerdings muss hier festgehalten werden, dass es noch vieler weiterer Abklärungen bedarf ehe erste klinische Versuche angegangen werden sollten. Zum Beispiel steht noch nicht fest, ob EPO auch in der Lage ist, bei vererbten Netzhaudegenerationen protektiv zu wirken. Dies muss als nächstes im Laborexperiment geprüft werden. Erste Erkenntnisse von entsprechenden Experimenten sind leider noch nicht sehr ermutigend. Zudem hat EPO neben der schützenden Wirkung von neuronalen Zellen auch eine blutbildende Wirkung, was bei unkontrolliertem Gebrauch gewisse Risiken nach sich zieht. Bestrebungen sind im Gange, die beiden Wirkungen (Schutz der Neuronen und Blutbildung) durch geeignete Modifikationen des Proteins zu trennen.

Die Erkenntnis, dass EPO die Sehzellen schützen kann führt auch zum besseren Verständnis der generellen zellulären Abläufe in der Netzhaut. Diese Grundlagenerkenntnisse sind notwendig, um die Chancen zu erhöhen, dass bald weitere Faktoren identifiziert werden können die, entweder alleine, kombiniert oder in 'Zusammenarbeit' mit EPO in mittelfristiger Zukunft als mögliche Medikamente bei Netzhaudegenerationen eingesetzt werden können.

Grimm C, Wenzel A, Groszer M, Mayser H, Seeliger M, Samardzija M, Bauer C, Gassmann M, Remé CE (2002).
HIF-1 - induced erythropoietin in the hypoxic retina protects against light-induced retinal degeneration
Nature Medicine, Vol. 8: 718-724.
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Forschungsarbeit
Erythropoietin: Doping für das Auge?	78 Kb