LaboReport 24

Oxidativer Stress durch freie Radikale - Antioxidantien als Schutzfaktoren -

Freie Radikale sind instabile, reaktive Teilchen mit ungepaarten Elektronen, deren Bildung für bestimmte Zell-funktionen und Abwehrreaktionen wichtig ist. Es handelt sich dabei überwiegend um reaktive Sauerstoffmetaboliten (ROS: "Reaktive Oxygen-Spezies").
Die Bildung von freien Radikalen bringt dem Körper nicht nur Schaden, sondern auch Nutzen, denn freie Radikale haben eine wichtige Funktion im Immunsystem, sie sind z. B. beteiligt an der Abwehr von Bakterien oder entarteten Zellen.
In einem gesunden Organismus befindet sich ein ausreichendes körpereigenes Schutzsystem (s. Tbl. 1) das unter normalen Bedingungen in der Lage ist, Radikale abzufangen und sie unschädlich zu machen.

Tabelle 1:

Chemisch gesehen sind Sauerstoffradikale hochreaktive Stoffe, die entweder im Körper durch sogenannte endogene Ursachen (s. Tbl. 2) oder durch äußere Einflüsse, sogenannte exogene Ursachen entstehen. Ein Zuviel an Bildung von Sauerstoffradikalen ist für den Körper schädlich - wir sprechen dann vom oxidativen Streß durch freie Radikale.

Tabelle 2:

Genetisch bedingte Risikofaktoren
Neueste wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass aufgrund genetischer Varianten die Enzymaktivität der Entgiftungsenzyme (z. B. der Glutathion-S-Transferasen) eingeschränkt ist. Dies erklärt, dass Träger dieser Mutationen Schadstoffe nur in beschränktem Maße abbauen können. Mit einem genetischen Test oder durch direkte Messung der Enzymaktivität läßt sich eine eindeutige Diagnose stellen.

Freie Radikale im Organismus
Die Mechanismen der Entstehung von freien Radikalen sind sehr komplex und eng verbunden mit den unterschiedlichsten biochemischen Reaktionen. Von Bedeutung für die Entstehung zahlreicher Erkrankungen sind folgende radikale und reaktive Sauerstoffspezies:

Tabelle 3:

Beispiele freier, reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffradikale, (sogenannte ROS: "Reaktive Oxygen Spezies")

	Superoxidradikalanion (O²-.)
	Hydroxylradikal (OH.)
	Hydroperoxidradikal (HOO.)

Freie Radikale: Spezies mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen, hochreaktiv.

	Peroxidradikale (ROO.)
	Singulett-Sauerstoff (¹O²)
	Wasserstoffperoxid (H²O²)
	Stickstoffmonoxid (NO.)
	Peroxynitrit (ONOO-.)

Hochreaktive Moleküle, die die weitere Bildung freier Radikale begünstigen.

Das Hydroxyradikal OH. ist hochreaktiv gegenüber Zellen und Gewebe. H²O² und O²-. sind wesentlich reaktionsträger, sie werden jedoch vielfach als Auslöser für die Bildung anderer hochreaktiver Sauerstoffradikale angesehen. Das NO besitzt eine hohe Reaktivität gegenüber Sauerstoffradikalen, dabei entsteht u. a. das noch reaktivere Peroxynitrit.

Bedeutung des Homocystein
Durch die Autooxidation von Homocystein entstehen u. a. das Superoxidradikalanion und Wasserstoffperoxid. Diese Sauerstoffmetaboliten schädigen das Endothel und führen so zu einer endothelialen Dysfunktion. Bei Anwesenheit von Metallkationen werden bei der Autoxidation auch Hydroxylradikale gebildet, die zur Lipidperoxidation führen und somit die Bildung von atherogenen Plaques fördern (s. Tbl. 5).

Wirkung von Radikalen am Endothel
Eine besondere Stellung unter den freien Radikalen nimmt das NO ein. Stickstoffmonoxid (NO) besitzt antioxidative Eigenschaften. Allerdings wird seine Wirksamkeit sehr schnell durch das Superoxidanion O²-. inaktiviert. Durch die Reaktion der beiden Radikale miteinander wird das NO in Form des gebildeten Peroxynitrits zu einem recht reaktiven Oxidant.

Das NO besitzt demnach eine ambivalente Funktion. In Abhängigkeit von der Konzentration an O²-. kann es sowohl protektiven als auch schädlichen Charakter zeigen. Das von den Endothelzellen freigesetzte NO führt zu einer lokalen Gefässdilatation und somit zur Blutdrucksenkung. Jede Störung dieser Funktion fördert die Entstehung von Arteriosklerose.

Auf der anderen Seite können bestimmte Antioxidantien und spezielle Wirkstoffe unerwünschte Reaktionen z. B. mit O²-. verhindern. Das Enzym Superoxid-Dismutase (SOD) ist in der Lage, das Superoxidanion abzufangen. Einige ACE-Hemmer, vor allem die lipophilen, nehmen einen positiven regulatorischen Einfluss auf die NO-Aktivität, indem die Bildung von Angiotensin II unterdrückt wird und ausserdem der Abbau des Bradykinins blockiert wird. Bradykinin ist ein sehr potenter Stimulator der endothelialen NOS (NO-Synthetase).

Tabelle 4:

Wichtige Radikalbildungsreaktionen

Homocystein ------- +O₂ ------> Homocystin + O₃^-
O₂^-+ + H²O² --+ Metallkation--> O² + HO⁺ + HO^-
O₂^-+ + NO    --------------------> ONOO^-
HO⁺+ Lipide --------------------> Lipidperoxide
HO⁺+ LDL    --------------------> oxidierte LDL 

Antioxidative Schutzmechanismen
Verschiedene Schutzmechanismen können die aufgezeigten Oxidationsreaktionen verhindern. Als intrazelluläres Antioxidant verhindert die Glutathion-Peroxidase (GPX) die Weiterreaktion des Wasserstoffperoxids zu dem hochreaktiven Hydroxylradikal. Es reduziert ausserdem die Lipidperoxide zu ihren entsprechenden Alkoholen und wirkt so der Arteriosklerose entgegen.

Vitamin C, eines der wirksamsten wasserlöslichen antioxidativen Substanzen, ist in der Lage, das schädliche Superoxidradikalanion abzufangen und regeneriert gleichzeitig das zellschützende lipidlösliche Antioxidant Vitamin E. Die wasserlösliche Harnsäure (Urat) liefert den Hauptanteil der antioxidativen Gesamtkapazität des Blutes und stabilisiert Vitamin C im Plasma. Redoxsysteme, zu denen u. a. a-Toco-pherol / Tocochinon und Q10 (Ubichinol / Ubichinon) zählen, schützen die extrazellulären Reaktionsräume der Zelle. Vitamin E wird als lipophiles Antioxidant in den Lipoproteinen transportiert und schützt deswegen die LDL besonders effektiv vor Oxidation. Entgegen früherer Ansicht ist nicht nur die Konzentration des LDL-Cholesterins, sondern besonders auch das oxidierte LDL-Cholesterin ein wesentlicher Risikofaktor für die Arteriosklerose. Die Titerhöhe der Antikörper gegen oxidierte LDL kann als Indikator für das Ausmaß der Oxidation der LDL und das Fortschreiten der Arteriosklerose dienen.

Verschiedene Erkrankungen (s. Tbl. 5) werden durch die überschießende Bildung freier Radikale induziert.

Tabelle 5:

Beispiele für Auswirkungen des oxidativen Stresses

	Arteriosklerose (Bildung atherogener Plaques durch oxidierte LDL, endotheliale Dysfunktion)
	Induktion der Karzinogenese
	Oxidative Schädigung der DNA
	Rheumatoide Arthritis
	Schilddrüsenfunktionsstörungen (Mangel an selenhaltigem Enzym 5'-Jodthyronin-Deiodase)
	Neurodegenerative Erkrankungen, Morbus Alzheimer, Parkinson`sche Erkrankung
	Diabetes mellitus
	Entzündliche rheumatische Erkrankung

Parameter für die Diagnostik des oxidativen Stresses
Folgende Parameter können zur Risikoeinschätzung des oxidativen Stresses bzw. zur Bewertung der antioxidativen Kapazität herangezogen werden:

Tabelle 6:

Tabelle 7:

Diagnostik des oxidativen Stresses

	Antioxidative Kapazität des Blutes (gesamte wasserlösliche; harnsäureunabhängige wasserlösliche, lipidlösliche)
	Vitamin E (α-Tocopherol)
	Vitamin C (Ascorbinsäure)
	β-Carotin
	Glutathion-Peroxidase
	Superoxid-Dismutase
	Selen, Zink
	Malondialdehyd
	Antikörper gegen oxidiertes LDL
	Homocystein
	Q10 (Ubichinon)
	Katalase

1. Antioxidative Kapazität im Blut

Die Bestimmung der antioxidativen Kapazität im Blut kann als sensitive diagnostische Methode eingesetzt werden, um frühzeitig die Gefahr einer Entgleisung der antioxidativen Homöostase zu erkennen. Um Defizite im antioxidativen System erfassen zu können, sollte die Messung der Einzelkomponenten der antioxidativen Kapazität (AC) erfolgen: ACW (integrale antioxidative Kapazität wasserlöslicher Substanzen), ACU (uratunabhängige Komponente der ACW), ACL (integrale antioxidative Kapazität fettlöslicher Substanzen).

Methode: Ein in-vitro erzeugtes Superoxidradikalanion wird mittels Photochemolumineszenz quantitativ erfaßt. Die einzelnen Komponenten der antioxidativen Kapazität im Blut führen zu einer quantifizierbaren Signalabschwächung der Radikalvermittelten Chemolumineszenz. Die Bestimmungsmethode erfaßt alle wichtigen antioxidativen Schutzfaktoren, wie Vitamin C, Vitamin E, Q10, Carotinoide, Bilirubin, Harnsäure und Metallbindungsproteine (z. B. Coerulo-plasmin, Transferrin, Ferritin).

2. Superoxid-Dismutase (SOD)

Ein wichtiges Enzym für die Entgiftung von reaktiven Sauerstoffmetaboliten ist die Superoxid-Dismutase. Dieses Enzym katalysiert die Umsetzung von Superoxidradikalanionen zu molekularem Sauerstoff und Wasserstoffperoxid, der wiederum von der Glutathion-Peroxidase abgebaut wird. Sie schützt die wasserlöslichen Zellkompartimente vor freien Radikalen.

3. Glutathion-Peroxidase (GPX)

Das selengebundene Enzym Glutathion-Peroxidase ist ein wichtiger endogener Faktor zur Entgiftung von Wasserstoffperoxid und zur Regeneration der Antioxidantien Ascorbinsäure und a-Tocopherol. Es schützt vor Peroxidation der fettlöslichen Zellmembran. Ein Mangel verringert die Zellteilungsrate.

4. Katalase

Die Katalase induziert wie die Glutathionperoxidase den Abbau von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff und befindet sich in den Peroxisomen.

5. Vitamin C

Zahlreiche Enzymsysteme sind abhängig von dem wasserlöslichen Vitamin C, das besonders für die extrazellulären Körperkompartimente von Bedeutung ist. Vitamin C sorgt u. a. für die Regeneration des Radikalfängers Vitamin E und hilft bei der Eliminierung von Peroxidradikalen, Superoxidradikalanionen und Hydroxylradikalen.

6. Vitamin E und ß-Carotin

Vitamin E ist ein guter Radikalfänger und schützt als lipophiles Molekül besonders die Lipoproteine und Zellmembranen vor Oxidation. Vitamin E reduziert die Thrombozytenaggregation und wirkt positiv auf das Endothel. Die Carotinoide β-Carotin und Lycopene sind sehr effektive Quencher und fangen vor allem den reaktiven Singulett-Sauerstoff ab.

7. Selen, Zink

Selen (Se) ist als essentielles Spurenelement wichtig für die Aktivität der Selenoproteine Glutathion-Peroxidase und Typ I 5'Iodthyronin-dejodase (Umwandlung des Schilddrüsenhormons T4 in das biologisch wirksamere T3). Die Glutathion-Peroxidase-Aktivität in den Erythrozyten wird als Indikator für die Selenversorgung eingesetzt.

Zink (Zn) ist Bestandteil und Aktivator vieler Enzyme, insbesondere der Superoxiddismutase (SOD), Kofaktor bei der T-Zelldifferenzierung und anderen Immunfunktionen und essentiell für die Insulinspeicherung in den Granula der β-Zellen des Pankreas. Zink-Thionin schützt gegen die Wirkung toxischer Schwermetalle.

8. Q10

Q10 zählt chemisch zu den Chinonen und ist definitionsgemäß ein Ubichinon - weder ein Enzym noch ein Vitamin - enthält aber deren Eigenschaften. Q10 ist ein wichtiges Glied in der Atmungskette, hält die Zellwände funktionsfähig und schützt die Zellen vor Schädigung durch Oxidation.

9. Malondialdehyd (MDA)

Als biochemischer Marker für die Lipidperoxidation infolge überschießender Bildung freier Radikale kann die Bestimmung des Malondialdehyd herangezogen werden. Hierbei handelt es sich um ein Aldehyd, das infolge oxidativer Veränderungen von mehrfach ungesättigten Fettsäuren durch reaktive Sauerstoffmetaboliten als Nebenprodukt entsteht.

10. Antikörper gegen oxidiertes LDL

Die radikalinduzierte Peroxidation der Lipidmoleküle der LDL-Lipoproteinpartikel ist ein bedeutender Trigger der arteriosklerotischen Gefäßalterung. Daraus ergibt sich eine Zunahme des Koronarrisikos. Wird LDL durch Oxidation verändert, wird es immunogen. Es lassen sich spezifische Autoantikörper gegen Epitope (z. B. Malondialdehyd-Lysin) des oxidierten LDL im Serum nachweisen.

Diagnostik und Therapiemöglichkeiten

Bei Patienten mit bereits erhöhtem Arterioskleroserisiko, bei Tumorpatienten und bei Patienten mit den oben genannten Risikofaktoren, wird empfohlen, zunächst die antioxidative Kapazität (ACU, ACL), die GPX- und SOD-Aktivität und das Malondialdehyd im Blut zu bestimmen. Insbesondere bei bestehendem Arteriosklerose-Risiko sollte auch der Homocysteinspiegel untersucht werden.
Bei einer erniedrigen antioxidativen Kapazität und / oder einem erhöhten Malondialdehyd-Spiegel sollten die Konzentrationen der wichtigsten Antioxidantien direkt bestimmt werden, um den Patienten gezielt durch eine Ernährungsumstellung oder eine Substitution behandeln zu können. Falls die Harnsäureunabhängige antioxidative Kapazität (ACU) vermindert ist, empfiehlt sich die nachfolgende Bestimmung von Vitamin C. Bei einer verminderten lipidlöslichen antioxidativen Kapazität (ACL) wäre die Bestimmung von β-Carotin, Vitamin E und Q10 sinnvoll. Falls die Aktivität der Glutathion-Peroxidase vermindert ist, sollte ein Selenmangel ausgeschlossen werden, bei verminderter Superoxid-Dismutase-Aktivität ein Zinkmangel. Es ist außerdem wichtig, die Synergien der einzelnen Antioxidantien zu beachten und in die Therapie mit einzubeziehen. Ein Therapieerfolg ist in der Regel frühestens nach sechs Wochen zu erkennen. Begleitend zu der Behandlung sollten die antioxidative Kapazität, als auch das Malondialdehyd (falls anfangs erhöht), bzw. die einzelnen Antioxidantien kontrolliert werden. In Verbindung mit einer Therapie sollten nach Möglichkeit die Ursachen für einen erhöhten Antioxidantienverbrauch bzw. einen relativen Mangel abgeklärt bzw. reduziert werden.

Oxidativer Streß ist ein wichtiges Thema unserer Zeit. Weltweit kommen medizinisch wissenschaftliche Untersuchungen zu dem Ergebnis, dass er sowohl Ursache verschiedenster Krankheiten, als auch Motor eines beschleunigten Alterungsprozess ist bzw. sein kann. Eine qualifizierte Diagnostik und Therapie ist inzwischen möglich geworden und sollte auch unter präventiver Zielsetzung möglichst frühzeitig eingesetzt werden.

Literatur

1. Ceriello A. et al., Eur J. Clin. Invest. 1998; 28(4): 329-333
2. Thomas L., Labor und Diagnose 5.Aufl.(1998), S.677 und S.356
3. Jackson P. et al., Clin. Chem. 1995; 41/8, 1135-1138, "Effect of Hemodialysis on Total Antioxidant Capacity and Serum Antioxidants in Patients with Chronic Renal Failure"
4. Miller E.R. Circulation 1997; 96(4):1097-1101
5. Zoch E. Vitaminspur 1995; 10, 190-197, "Antioxidantien und ihre Bedeutung in der Medizin"
6. Thiery J., Teupser D., 1997; Internist, 38: 168-176
7. Scherak O., 1995; Vitaminspur 10, 181-184 "Vitamin E und Lipidstoffwechsel bei chronischer Polyarthritis und Arthrosen"
8. Molloy R. (Randox), Biomedical news 1/1998
9. Hultquist M. et al., Clin. Nephr. 1997; Vol.47 Nr.1, 37-46 "Plasma concentrations of vitamin C, vitamin E and/or malondialdehyd as markers of oxygen free radical production during hemodialysis"
10. Schmidt K.J. et al., Vitaminspur 1998; 13: 33-39
11. Sies H., Dt. Ärzteblatt, 1989; 86: B1475-B1477 "Vitamin E"
12. Fachinformationen Vitamin E, Asta Medica, Deutsche Chefaro Pharma GmbH, Fresenius AG, vom Bundesverband der Pharmazeutischen Industrie e.V.(1995)
13. Lykkesfeldt J. et al., Anal. Biochem. 1995; 229: 329-335
14. Fachinformationen β-Carotin, HERMAL (Merck-Gruppe), vom Bundesverband der Pharmazeutischen Industrie e.V.(1996)
15. Weiss N. et al., Dtsch. med. Wschr. 1999; 124, 1107-1113
16. Schächinger V. et al., Der Internist 1997; 38: 438-447
17. Schmidt H.H.H.W. et al., Der Internist 1997; 38: 406-410
18. Hermann, H LaborPraxis 2000; 24-27
19. Alberts B. et al, Molekularbiologie der Zelle, 1995

September 2001

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