Zink reduziert die osteogenen Effekte von hohen Glukosekonzentrationen

Abstract

Mediale vaskuläre Kalzifizierung ist neben der Atherosklerose, welche die Intima betrifft, eine Form der Gefäßwandveränderung, welche das kardiovaskuläre Risiko erhöhen kann. Noch nicht lange ist bekannt, dass es sich dabei nicht um einen passiven Ablagerungsvorgang handelt, sondern um einen aktiven Umbauprozess mit diversen induzierenden und regulierenden Faktoren. Bei diesem auch Mediasklerose genannten Prozess kommt es zum Umbau der mittleren Gefäßschicht hin zu einer kalzifizierenden Struktur, wobei glatte Gefäßmuskelzellen zentral beteiligt sind. Patienten mit Diabetes Mellitus leiden vermehrt an medialer Gefäßkalzifizierung, gleichzeitig wurden in dieser Patientengruppe reduzierte Zink-Spiegel gezeigt. Es konnte in präklinischen Studien gezeigt werden, dass Zink einen protektiven Effekt auf diese Kalzifizierung unter erhöhten Phosphat-Konzentrationen hat, wie sie beispielsweise bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung vorliegen. Eine Hemmung des Transkriptions-faktors nuclear factor k-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-kB) durch TNF- α induced protein 3 (TNFAIP3) spielt bei diesen Effekten von Zink eine Rolle. Ob und wie Zink diesen Effekt auch bei hohen Glukose-Konzentrationen vermitteln könnte, war Gegenstand dieses Projektes. Glukose kann den Transkriptionsfaktor NF-kB aktivieren, womit Hyperglykämie pro-kalzifizierende Effekte hervorrufen könnte, welche möglicherweise durch Zink abgedämpft werden könnten. Im Rahmen des hier diskutierten Forschungsvorhabens wurden humane aortale glatte Gefäßmuskelzellen verwendet und mittels real-time qPCR, Western-Blotting, Färbungen und verschiedenen Assays analysiert. Es zeigte sich, dass in mit hohen Glukosekonzentrationen behan-delten Gefäßmuskelzellen eine Zink-Supplementation die Expression von osteogenen Markern und die Kalzifizierung reduzieren konnte. Analog waren die Aktivität der alka-lischen Phosphatase und die Freisetzung von Osteopontin unter hohen Glukosekon-zentrationen erhöht und bei zusätzlicher Zink-Supplementation abgeschwächt. Durch hohe Glukosekonzentrationen kam es zu einer Aktivierung von NF-kB, welche durch Zink-Supplementation reduziert wurde. Zugabe von Zink führte zu einer erhöhten Expression des Proteins TNFAIP3. Unter Hemmung von TNFAIP3 durch Silencing konnte unter Zink-Supplementation kein protektiver Effekt beobachtet werden, wobei keine Hemmung der Aktivierung von NF-kB und der Expression von osteogenen Markern feststellbar war. Ebenso konnte ein Silencing des Rezeptors GPR39 die Zink-induzierte Expression von TNFAIP3 unterdrücken und die anti-kalzifizierenden Effekte von Zink abschwächen. Zuammenfassend lässt sich interpretieren, dass Zink unter hohen Glukosekonzentrationen, wie bei Diabetes mellitus, eine schützende Auswirkung zur Verminderung einer vaskulären Kalzifizierung haben könnte. Dies wird wahrscheinlich vermittelt über Aktivierung von GPR39, wodurch es zur Aktivierung von TNFAIP3 und dadurch Inhibierung von NF-kB kommt. Um die Erkenntnisse auf Patienten zu übertragen ist jedoch weitere Forschung notwendig um andere beitragende Faktoren und Signalwege zu verstehen.

Medial vascular calcification, besides atherosclerosis, which affects the intima, is a form of alteration of the vascular wall that can increase cardiovascular risk. Not long ago it was discovered that vascular calcification is not a passive deposition process, but an active remodeling involving various inducing and regulating factors. This process, also known as media sclerosis, involves the transformation of the middle layer of the vessel into a calcifying structure, whereby vascular smooth muscle cells play an essential role. Patients with diabetes mellitus commonly suffer from medial vascular calcification and low zinc levels were observed in this patient group. Preclinical studies have shown that zinc has a protective effect on the progression of calcification during elevated phosphate concentrations, as commonly seen in patients with chronic kidney disease. An inhibition of the transcription factor nuclear factor k-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-kB) by TNF- α induced protein 3 (TNFAIP3) plays an important role in these effects of zinc. This project aimed to investigate the effect of zinc in high glucose concentrations. High glucose can activate NF-kB, which could potentially lead to hyperglycemia-induced pro-calcifying effects, an effect that might be attenuated by zinc supplementation. For this project human aortic smooth muscle cells were used and analysed by real-time qPCR, Western Blotting, staining and various assays. Zinc supplementation in vascular smooth muscle cells treated with high glucose concentrations reduced the expression of osteogenic markers and calcification. Analogously, the activity of alkaline phosphatase and the release of osteopontin were increased under high glucose concentrations and reduced with additional zinc treatment. High glucose concentrations led to NF-kB activation, which was attenuated by zinc supplementation. Zinc treatment resulted in an increased expression of the pro-tein TNFAIP3. When TNFAIP3 was silenced, the protective effect of zinc supplementa-tion was not apparent anymore, no inhibition of NF-kB activation and expression of osteogenic markers and calcification was observed. Furthermore, silencing of the receptor GPR39 suppressed the zinc-induced expression of TNFAIP3 and decreased the anticalcifying effects of zinc. Thus, it can be concluded that in high glucose concentrations, as in diabetes mellitus, zinc could potentially have a protective effect in reducing medial vascular calcification. This could possibly be mediated through the activation of GPR39, subsequent induction of TNFAIP3 and inhibition of NF-kB. Further research is necessary to understand other contributing factors and signaling pathways and to eventually translate these findings into clinical applications.