Phänotypische Charakterisierung von Tryptophanhydroxylase 1-Knockout-Mäusen: Zur Rolle des Serotonins in Darm- und Herz-Kreislauffunktionen sowie in der Immunologie

Abstract

Das Monoamin Serotonin (5-HT) ist vor allem als Signalmolekül im Zentralen Nervensystem und in der Hämostase bekannt. Darüber hinaus ist 5-HT jedoch auch an immunologischen Prozessen und physiologischen Reaktionen im Darm und im Herz-Kreislaufsystem beteiligt. Der erste Schritt der 5-HT-Biosynthese wird von zwei unterschiedlichen Enzymen katalysiert, von der Tryptophan-Hydroxylase 2 (TPH2) in den Neuronen, und von der Tryptophan-Hydroxylase 1 (TPH1) in den extraneuronalen Geweben. In der vorliegenden Arbeit wird der Phänotyp der TPH1-Knockout Tiere hinsichtlich der Beteiligung des 5-HT an verschiedenen Prozessen außerhalb des Zentralen Nervensystems untersucht. Die durchgeführten Untersuchungen lieferten Ergebnisse, die aufgrund der Komplexität des 5-HT- Rezeptorsystem kaum mit Hilfe pharmakologischer Substanzen hätten erarbeitet werden können. Der Ort der stärksten 5 HT-Synthese durch die TPH1 ist der Gastrointestinaltrakt. Hier werden über 90 % des im Körper vorkommenden 5 HT in den enterochromaffinen Zellen synthetisiert und gespeichert. Bislang hat man dem 5-HT der enterochromaffinen Zellen die Initiation des peristaltischen Reflexes zugesprochen, obwohl es schon in den 1950er Jahren experimentell begründete Zweifel an dieser Sichtweise gab. Die TPH1-/- Mäuse, deren enterochromaffine Zellen kein 5-HT enthalten, sollten gemäß dieser Hypothese keinen peristaltischen Reflex aufweisen. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von in vivo\- und in vitro-Versuchen gezeigt, dass die 5-HT-Defizienz der enterochromaffinen Zellen keineswegs die Peristaltik der TPH1-/- Tiere beeinträchtigt, und dass demnach das 5-HT der enterochromaffinen Zellen nicht für die Initiierung des peristaltischen Reflexes nötig ist. Ähnlich verhält es sich mit der durch Choleratoxin induzierten gesteigerten Flüssigkeitssekretion. Auch hier wird die in der Literatur beschriebene Beteiligung des 5-HT der enterochromaffinen Zellen widerlegt. Das 5-HT der enterochromaffinen Zellen spielt also bei Weitem nicht die wichtige Rolle in der Darmphysiologie, wie es ihm 50 Jahre lang zugedacht wurde. Die Untersuchungen des Herz-Kreislaufsystems der TPH1-/- Mäuse zeigen, dass das in den Thrombozyten gespeicherte periphere 5-HT den basalen Blutdruck beeinflussen kann. Der in der Literatur beschriebene Einfluss des peripheren 5-HT auf die Herzentwicklung wird dagegen widerlegt. Die immunologischen Untersuchungen mit Hilfe des Kontakthypersensibilitätsmodells bestätigen die entscheidende Rolle des 5-HT in der Entwicklung von Entzündungsreaktionen. Für Untersuchungen des Effekts des 5-HT auf die T Zellaktivierung erwies sich das Tiermodell aufgrund der verbliebenen 5-HT-Spuren jedoch als nicht zweckhaft. Die 5-HT-haltigen Thrombozyten werden in der Literatur vor allem in Bezug auf die durch Bluthochdruck induzierten Nierenschäden eher schadensfördernd beschrieben. Dieser Effekt beruht wahrscheinlich auf den entzündungsfördernden Eigenschaften der Thrombozyten, die in dieser Arbeit bestätigt werden. Da die Thrombozyten in den TPH1-/- Mäusen auf Grund ihrer 5-HT-Defizienz aber in ihrer Funktion eingeschränkt sind, wurde erwartet, dass die TPH1-/- Mäuse geringere Bluthochdruckschäden davon tragen. Überraschenderweise zeigen jedoch die TPH1-/- Mäuse, verglichen mit entsprechenden Wildtypkontrollen, quantitativ stärkere und qualitativ ungewöhnliche Organschäden nach der Bluthochdruckinduktion. Das Ergebnis dieses Experiment lässt demnach darauf schließen, dass Thrombozyten die Entstehung von hypertensiven Nierenschädigungen nicht fördern, sondern dass sie im Gegenteil eher schützende Eigenschaften aufweisen. Die Frage, ob 5-HT oder die 5-HT-Vorläufersubstanz Tryptophan an der durch die Indolamin-2,3-Dioxygenase induzierten immunologischen Toleranz gegenüber allogenen Föten beteiligt ist, konnte dagegen nicht beantwortet werden, da sich herausstellte, dass dieses Enzym generell nicht an der Entstehung der Schwangerschaftstoleranz beteiligt ist. Es ist also gelungen, verschiedene in der Literatur existierende Hypothesen über die extraneuronale Rolle des 5-HT zu widerlegen, und neue 5-HT vermittelte Effekte aufzuzeigen.

The monoamine serotonin (5-HT) is particularly known as signalling molecule in the central nervous system and in the haemostasis. Beyond this, 5-HT is involved in immunological processes and physiological reactions in the gastrointestinal tract and the cardiovascular system, too. The first step of the 5-HT biosynthesis is catalyzed by two different enzymes: tryptophan hydroxylase 2 (TPH 2) acts in the neurons and tryptophan hydroxylase 1 (TPH1) in all other known serotonergic tissues. In this study the phenotype of tryptophan hydroxylase 1 (TPH1)-knockout mice was characterized regarding the involvement of 5-HT in various processes outside of the central nervous system. The conducted tests with these mice yield results that were hardly available by the usage of a pharmacological approach since the 5-HT-system is characterized by a very complex receptor family. Over 90 % of the 5-HT found in the body is synthesized and stored by the enterochromaffin cells in the gastrointestinal system. Since about 1950, the 5-HT of these cells has been described as the key player in initiation of the peristaltic reflex, although there have been experimental doubts about this. According to this hypothesis, TPH1-/- mice, the enterochromaffin cells of which do not contain 5-HT, should not be able to perform any peristaltic reflex. In this study it is shown using in vivo and in vitro tests that the peristaltic reflex of these mice is not impaired by the absence of 5-HT in the enterochromaffin cells. This result indicates that enterochromaffin cell's 5-HTis not necessary for the initiation of the peristaltic reflex. Another physiological reaction whose formation was described to depend on the 5-HT in the enterochromaffin cells is the increased secretion induced by cholera toxin. Also in this case a participation of the enterochromaffin cell's 5-HT could be disproved. This study shows that the important role of enterochromaffin cell's 5-HT within the gastrointestinal physiology was misattributed. The analysis of the TPH1-/- cardiovascular system shows that peripheral 5-HT stored within the platelets is able to influence basal blood pressure. But the described effect on cardiac development could be excluded. The immunological tests performed by means of the contact hypersensitivity model approve the crucial role of 5-HT within the development of inflammatory responses. But for exploring 5-HT effects on T-cell activation the TPH1-/- mice are not the right model since they still contain minute traces of 5-HT that seem to interfere. The 5-HT containing platelets are described in literature to be conducive to the development on hypertension induced kidney damage. This effect presumably bases upon platelet's properties in promoting inflammatory events that could be proven in this study. Due to the lack of 5-HT TPH1-/- platelets are restricted in their function. Therefore it was expected that TPH1-/- mice develop less hypertensive organ damage. But surprisingly, TPH1-/- mice are more affected by hypertension induced organ damages in a quantitative and qualitative way. The result of this experiment let us conclude that platelets do not promote the development of hypertension induced kidney damages but in contrast that they rather have protective properties. The question if 5-HT or the 5-HT precursor tryptophan is involved in the maternal tolerance towards allogeneic fetuses mediated by the indoleamine-2,3-dioxygenase could not be answered since it turned out that this enzyme is not at all responsible for the onset of pregnancy induced tolerance. In conclusion I succeeded to disprove several hypothesis about 5-HT's extra- neuronal role described in literature and to show new effects of serotonin.