Die hier vorgestellten molekularen Arbeiten lassen sich vor dem klinischen Hintergrund des Asthma bronchiale und der Herzinsuffizienz unter zwei Leitgedanken subsumieren: 1) Pathophysiologisch bedeutsame Signaltransduktionswege münden in die Aktivierung spezifischer Transkriptionsfaktoren, deren pharmakologische Inhibition eine neue therapeutische Option darstellen könnte. 2) Die Untersuchung der molekularen Wirkmechanismen etablierter pharmakologischer Therapieansätze im Hinblick auf die beeinflussten Transkriptionsfaktoren kann dazu beitragen, bisher unberücksichtigte klinische Effekte zu identifizieren. Das Asthma bronchiale ist eine chronisch entzündliche Erkrankung des Bronchialepithels. Der Transkriptionsfaktor NF-kB steuert die Aktivierung einer Vielzahl von pro- inflammatorischen Zytokinen, Wachstumsfaktoren und Adhäsionsmolekülen. Die Untersuchung der NF-kB Aktivierungswege identifizierte die Faktoren PC-PLC, PKC und MAPK p38 als entscheidende Signalmoleküle, die die NF-kB abhängige Transkription steuern. Der durch eine NF-kB Bindungsstelle in seinem Promotor regulierte Wachstumsfaktor GM-CSF wurde im folgenden verwendet, um den Mechanismus der hochpotenten anti-inflammatorischen Wirkung von Glukokortikoiden auf molekularer Ebene zu klären. Es konnte kein Effekt von Dexamethason auf die NF-kB Aktivierung in T-Zellen gefunden werden. Der klinisch manifesten Herzinsuffizienz geht auf molekularer Ebene häufig ein einheitlicher Kompensationsmechanismus voraus: die gemeinsame Endstrecke einer chronischen Druck- oder Volumenbelastung sowie einer ischämischen Herzerkrankung ist die myokardiale Hypertrophie. Die Vermehrung der kontraktilen Elemente einer einzelnen Herzmuskelzelle kann jedoch nur vorübergehend das Defizit an Herzmuskelkraft ausgleichen. Parallel kommt es zum apoptotischen Untergang von Herzmuskelzellen. Eigene Arbeiten zeigen, dass die Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-kB nach TNF-a Stimulation ein Überlebenssignal darstellt. Die Inkubation von Kardiomyozyten mit Statinen, einer Medikamentenklasse zur Sekundärprophylaxe arteriosklerotischer Gefäßveränderungen, verminderte die durch Hypoxie induzierte Apoptose von Herzmuskelzellen in vitro. Eine vorübergehende Hypoxie, gefolgt von einer Phase der Reoxygenierung, induzierte direkt die Hypertrophie von Kardiomyozyten. Dieser Effekt war mit der Freisetzung von Sauerstoffradikalen (ROS) verknüpft. Die CREB-Aktivierung über diesen Signalpfad ist essentiell für die Hypoxie-induzierte Hypertrophie in diesem Modell. Die vorgelegten Daten fügen die Transkriptionsfaktoren NF-kB, CREB und b-catenin in die Modelle der Signaltransduktionswege bei Apoptose und Hypertrophie von Kardiomyozyten ein. Die mögliche klinische Relevanz muss in weiteren genetischen Untersuchungen bzw. klinischen Studien geklärt werden.
The work presented below was performed on the clinical background of chronic asthma and heart failure. The different projects were based on two ideas, how molecular medicine may generate new concepts concerning treatment of these common diseases: ÿ Signaling pathways important for disease progression are integrated by specific transcription factors, whose pharmaceutical inhibition may prove to be a new treatment option. ÿ The investigation of known pharmaceutical principles concerning effects on transcription factor activation can identify new indications and molecular mechanisms. Asthma is a chronic inflammatory disease of the bronchial wall. The transcription factor NF-kB drives the expression of numerous cytokines, growth factors and adhesion molecules important for disease progression. The studies identified the factors PC-PLC, PKC and MAPK p38 as important for NF-kB activation specifically at the transactivating level. Inhibition of these factors had no effect on DNA binding, which is mainly regulated by IkBa degradation. Further studies utilizing the GM-CSF promoter as a model for NF-kB dependent transcription studied the molecular mechanism of the inhibitory effects of glucocorticoids on inflammatory cytokine release. Surprisingly, no effect of dexamethasone on GM-CSF promoter activity was found. Instead, post- transcriptional processing was affected resulting in significantly reduced GM- CSF levels released from isolated, primary T-cells and primary blood mononuclear cells after stimulation. Chronic heart failure is commonly preceded by a uniform stress response of the heart, namely cardiomyocyte hypertrophy. While this compensatory response to chronic pressure overload or ischemic cardiac disease is of benefit on the short term, hypertrophied cardiomyocyte are more susceptible to apoptosis and generally precede the development of heart failure. The studies showed that the transcription factor NF-kB is a survival factor for cardiomyocytes after TNFa stimulation. Furthermore, treatment of cardiomyocytes with statins (a commonly used cholesterol lowering drug class) was able to inhibit cardiomyocyte apoptosis induced by hypoxia/ reoxygenation. This effect was associated with stabilization of the transcription factor b-catenin. Interestingly, hypoxia/reoxygenation also induced hypertrophy of isolated cardiomyocytes in vitro. This effect involved activation of reactive oxygen species coupled to Gi receptor activation. Downstream of these events, activation of the PI3-kinase/AKT/GSK3b signaling cascade was essential upstream of the transcription factor CREB. CREB activity was necessary for hypoxia/reoxygenation induced hypertrophy. In summary, the data show involvement of transcription factor NF-kB, CREB and b-catenin in adult heart remodeling involving apoptosis and hypertrophy of cardiomyocytes. The clinical significance of these findings must be evaluated in further studies involving mouse models.
