Mehrfach ungesättigte omega-3 Fettsäuren (n-3 PUFAs), wie Eicosapentaensäure (EPA) und Docosahexaensäure (DHA), schützen vor kardiovaskulären Erkrankungen, wie tödlichen Arrhythmien. In vitro Untersuchungen belegen, dass rekombinante Cytochrom P450 (CYP) Enzyme nicht nur die n-6 PUFA Arachidonsäure (AA), sondern auch die n-3 PUFAs EPA und DHA als alternative Substrate verwenden. Dabei entstehen bioaktive regio- und stereoisomere Epoxy- und Hydroxymetaboliten, CYP-Eicosanoide, die als sekundäre Botenstoffe bei der Regulation von Gefäß-, Nieren- und Herzfunktionen fungieren. Die genauen molekularen Mechanismen dieser Metabolite sind noch weitgehend unerforscht. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst der ernährungsbedingte Einfluss auf das endogene CYP-Eicosanoidprofil im Menschen untersucht. Die Ergebnisse der klinischen Studie zeigten, dass n-3 PUFAs auch in vivo alternative Substrate von CYP-Enzymen darstellen und wenn verfügbar sogar effektiver zu ihren Metaboliten umgesetzt wurden als AA. Als ein wichtiger Metabolit entsteht nach EPA/DHA-Supplementation 17,18-EEQ, welcher womöglich der eigentliche Vermittler der kardioprotektiven Effekte von n-3 PUFAs ist. Unter Verwendung eines etablierten Zellmodells mit spontan schlagenden neonatalen Rattenkardiomyozyten (NRKMs) wurde der anti-arrhythmische Effekte von 17,18-EEQ genauer untersucht. Der negativ chronotrope Effekt von EPA auf NRKMs wurde tatsächlich durch 17,18-EEQ vermittelt, insbesondere dem R,S-Enantiomer. Mittels Strukturfunktionsanalyse wurden synthetische Analoga mit gleicher Wirksamkeit wie dem 7,18-EEQ gefunden, wobei strikte strukturelle Merkmale für die biologische Funktion identifiziert wurden. Die Suche nach einem molekularen Ziel für CYP-Epoxyeicosanoide führte zu einem möglichen Rezeptorkandidaten, der hinsichtlich seiner Ligandenspezifität untersucht wurde. Dieser oder zukünftige andere Rezeptorkandidaten stellen ein mögliches neues zelluläres Ziel zur Behandlung kardialer Arrhythmien dar. / The n-3 polyunsaturated fatty acids (n-3 PUFAs) eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA), protect from cardiovascular disease, especially from fetal arrhythmia. Moreover, in vitro studies proved that recombinant cytochrome P450 (CYP) enzymes not only accept the physiologically most important n-6 PUFA arachidonic acid (AA), but also EPA and DHA as alternative substrates, thereby generating regio- and stereospecific biologically active epoxy- and hydroxymetabolites, CYP-eicosanoids. These metabolites serve as second messengers regulating vascular, renal and cardiac function. The precise underlying molecular mechanisms are only partially understood and need further investigation. The first aim of the thesis was to show that the endogenous CYP-eicosanoid profile depends on the availability of the precursor fatty acids. The results of a clinical trial with 20 volunteers, show that n-3 PUFAs serve also in vivo as alternative CYP-dependent substrates and are even preferentially metabolized compared to AA. After EPA/DHA-supplementation 17,18 EEQ was generated as a major metabolite, potentially an important mediator of cardiovascular effects originally attributed to n-3 PUFAs. To test the anti-arrhythmic effect of EPA and 17,18-EEQ, an established cell model with neonatal rat cardiomyocytes (NRKMs) was used. The negative chronotropic effect of EPA was mimicked by 17,18-EEQ, attributed only to the R,S-enantiomer. A structure activity relationship study revealed synthetic analogs, exerting the same biological effect as 17,18-EEQ. Strict structural requirements were found for agonistic function, hinting at a specific interaction with cellular targets, like GPCRs. The search of a molecular target of CYP-eicosanoids led to a putative receptor, which was tested for ligand binding specificity. If the preliminary results on the ligand binding are confirmed in future experiments this receptor might be a novel target for the treatment of cardiac arrhythmia.

Cytochrom P450 (CYP)-Enzyme hydroxylieren und epoxydieren Arachidonsäure (AA) zu bioaktiven Metaboliten wie 20-Hydroxyeicosatetraensäure (20-HETE) und Epoxyeicosatriensäuren (EETs). Diese CYP-abhängigen Eicosanoide fungieren als Mediatoren bei der Regulation der Gefäß-, Nieren- und Herzfunktion. Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, die Identität der 20-HETE bildenden CYP-Isoformen in der Mausniere aufzuklären. Ein weiterer Schwerpunkt war die Bestimmung von Veränderungen im Metabolismus CYP-abhängiger Eicosanoide in Tiermodellen des akuten Nieren- und Herzversagens. Zur Identifizierung der 20-HETE bildenden CYP-Isoform wurde die Substrat- und Wirkungsspezifität von Cyp4a10, Cyp4a12a, Cyp4a12b und Cyp4a14, sowie ihre geschlechts- und stammspezifische Expression charakterisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Cyp4a12a die 20-HETE Synthase der Mausniere ist. Cyp4a12a wird durch Androgene induziert und seine Expressionshöhe ist für geschlechts- und stammspezifische Unterschiede in der 20-HETE Bildung verantwortlich. Im Rattenmodell des Ischämie/Reperfusions (I/R)-induzierten Nierenschadens wird eine 20-HETE Freisetzung durch I/R induziert. Wir konnten zeigen, dass der I/R-Schaden durch Hemmung der 20-HETE Bildung signifikant reduziert wird. Im Rattenmodell der Herzinsuffizienz (SHHF) ist das Herzversagen mit einer Variante des EPHX2 Gens assoziiert. EPHX2 kodiert für die lösliche Epoxidhydrolase (sEH), die den Abbau von EETs katalysiert. Wir konnten zeigen, dass die Genvariation zu signifikant höheren sEH-Aktivitäten im Herzen (3-fachen) und in der Niere (30-fachen) führt, im Vergleich zu Rattenstämmen, die keine Herzinsuffizienz entwickeln. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die pathophysiologische Bedeutung von Veränderungen im Metabolismus von 20-HETE und EETs. Daher erscheint es vielversprechend, den CYP-Eicosanoid Stoffwechsel als neuen Angriffspunkt für die pharmakologische Behandlung kardiovaskulärer Erkrankungen zu erschließen. / Cytochrome P450 (CYP) enzymes hydroxylate and epoxidize arachidonic acid (AA) to bioactive metabolites such as 20-hydroxyeicosatetraenoic acid (20-HETE) and epoxyeicosatrienoic acids (EETs). These CYP-dependent eicosanoids serve as mediators in the regulation of vascular, renal and cardiac function. The main objective of the present study was to identify the 20-HETE producing CYP isoforms in the mouse kidney. Another focus was to determine changes in the metabolism of CYP-dependent eicosanoids in animal models of acute renal and heart failure. To identify the 20-HETE producing CYP-isoform the substrate and reaction specificity of Cyp4a10, Cyp4a12a, Cyp4a12b and Cyp4a14, as well as their sex- and strain-specific expression were characterized. The present study shows that Cyp4a12a is the predominant AA hydroxylase in the mouse kidney. Cyp4a12a is induced by androgens and its expression determines the sex and strain-specific differences in 20-HETE generation. In a rat model of renal ischemia/reperfusion (I/R) injury, I/R triggered the release of 20-HETE and we were able to ameliorate renal injury by pharmacological inhibition of 20-HETE production. In a rat model of heart failure (spontaneously hypertensive heart failure rats, SHHF) the heart failure phenotype is associated with a variant of the EPHX2 gene. EPHX2 is coding for the soluble epoxide hydrolase (sEH) which catalyze the degradation of EETs. We found that the gene variation leads to significantly higher sEH activities in the heart (3-fold) and in the kidney (30-fold) compared to rat strains not prone to the development of heart failure. The present study emphasizes the pathophysiological relevance of changes in the biosynthesis and degradation of 20-HETE and EETs. Therefore, it appears promising to develop the CYP-eicosanoid pathway as a novel clinical target for the treatment of cardiovascular diseases.