Die Hämoxygenase-1 (HO-1) ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Hämabbaus und ist wichtiger Regulator inflammatorischer Prozesse. Der Verlauf einer experimentellen akuten Pankreatitis (AP) konnte im Tiermodell durch HO-1 Induktion abgemildert werden. Die Aktivierung und Proliferation pankreatischer Stellatum Zellen (PSC) wird durch eine experimentelle HO-1 Induktion inhibiert und kann so möglicherweise vor der Fibrosierung des Pankreasparenchyms bei chronischer Pankreatitis (CP) schützen. Die Transkription der HO-1 wird durch einen GT-Repeat beeinflusst, der im Promoter lokalisiert ist. Diese Arbeit untersuchte, ob Varianten des GT-Repeat oder weitere genetische Varianten der HO-1 mit verschiedenen Pankreatitisformen assoziiert sind. Der GT-Repeat und der SNP rs2071746 wurden mit fluoreszensmarkierten Primern bzw. mit Schmelzkurvenanalyse bei 285 Patienten mit AP, bei 208 Patienten mit alkoholischer CP (ACP), bei 207 mit idiopathischer/hereditärer CP (ICP/HCP), 147 Patienten mit Alkoholischer Leberzirrhose (ALZ) und bei 289 Kontrollen untersucht. Bei den ACP Patienten wurde die GT-Repeat Analyse auf insgesamt 446 Patienten erhöht. Zusätzlich wurden die kodierenden HO-1 Abschnitte mittels DNA-Sequenzierung bei 145 Patienten mit ACP, 138 Patienten mit ICP/HCP, 147 Patienten mit ALZ und bei 151 Kontrollen analysiert. Das Exon 3 wurde darüber hinaus bei zusätzlichen ICP/HP Patienten und Kontrollen untersucht. Die Längenverteilungen des GT-Repeat, die Allelverteilung des SNP rs2071746 und die Verteilung der bei der DNA-Sequenzierung gefundenen synonymen und nicht synonymen Varianten waren bei allen untersuchten Gruppen nicht signifikant unterschiedlich. Obwohl die funktionellen Daten einen Einfluss von HO-1 Varianten auf die Pathogenese der verschiedenen Pankreatitis-Formen nahelegen, konnte unsere umfangreiche genetische Analyse keine Assoziation nachweisen. Genetische Varianten der HO-1 haben keinen Einfluss auf die Entwicklung einer AP, ACP, ICP/HCP und ALZ.

Der nach Leberoperation und -transplantation auftretende Ischämie-/ Reperfusionsschaden (I/R) und die konsekutive Inflammation des Lebergewebes stellen ein bedeutendes klinisches Problem dar. In der vorliegenden Arbeit wurden Einflüsse der warmen und kalten Ischämie (100% N2 bei 37°C bzw. 4°C) sowie der Exposition inflammatorischer Zytokine und Endotoxin (IL-1beta, 10 U/ml; IFN-gamma, 100 U/ml; TNF-alpha, 500 U/ml; LPS, 5 µg/ml) auf die Expression der Hämoxygenase-1 (HO- 1) mRNA und seines Proteins, einem Vertreter der Hitze-Schock-Proteine mit potentiell antioxidativer Wirkung, in humanen Hepatozytenprimärkulturen untersucht. Warme und kalte Ischämie stimulierten die HO-1 mRNA Expression in humanen Hepatozyten nach 0,5 bis 1h. Das HO-1 Protein wurde über 0,5-6h maximal exprimiert. Der Zellschaden, gemessen an der AST und LDH Freisetzung unter ischämischen Bedingungen wurde insbesondere nach 24 h beobachtet. Nach Zytokinexposition wurde die höchste Expressionsrate der mRNA durch IFN-gamma hervorgerufen, gefolgt von TNF-alpha, LPS und IL-1beta. Jedes einzelne Zytokin stimulierte die HO-1 mRNA Expression nach 0,5 h, erreichte ein Maximum nach 3 h und fiel nach 6 h ab. Nach Stimulation mit einem Zytokinmix (CM; IFN-gamma, TNF-alpha, IL-1beta, LPS) trat ein Maximum der HO-1 mRNA Expression erst nach 6 h ein, wobei ein signifikanter Zellschaden nach 12 h beobachtet wurde. Die HO-1 mRNA und Proteinexpression war nach Exposition von 6 h des Sauerstoffperoxides (H2O2, 200- 1000 µM) erhöht. Die HO-1 mRNA und Proteinexpression war nach S- nitrosoacetylpenicillamin (0.5 mM) Exposition, einem NO Donator, für 3-12 h verstärkt. Nach Cobalt-protoporphyrin (CoPP, 1µM) Exposition, einem potenten HO-1 Induktor, wurde eine erhöhte mRNA- und Proteinexpression beobachtet. Dass CoPP die HO-1 mRNA- und Proteinneusynthese induziert, konnte durch die selektive Blockade mit Actinomycin D und Cycloheximide bewiesen werden. Die Neusynthese konnte ebenfalls unter warmer und kalter Ischämie gezeigt werden. Hemin (10 µM), ein weiterer Induktor der HO-1, induzierte die HO-1 mRNA nach 3 h und das Protein nach 6 h. Die HO-1 Enzymaktivität wurde mittels Bilirubinbildung und Messung des Fe2+ Gehalts der Zellen bestimmt. Bei der Bilirubinbildung wurde die höchste Aktivität nach warmer Ischämie gemessen, gefolgt von kalter Ischämie, CM und der Kontrollgruppe. Die intrazelluläre Fe2+ Messung ergab ebenfalls die höchste Enzymaktivität nach warmer Ischämie. Die Vorbehandlung humaner Hepatozyten mit CoPP (1-50 µM) für 8 h, schützte die Zellen teilweise vor einer warmen und kalten Ischämie. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die pharmakologische Induktion der HO-1 somit bei großen allgemeinchirurgischen Eingriffen, wie der Leberteilresektion oder der Transplantation, einen protektiven Effekt entfalten könnte. / Hepatic injury induced by ischemia/ reperfusion (I/R) and inflammation following surgeries or transplantations creates important clinical problems. In this study, the effect of inflammatory conditions such as cytokine/ endotoxin exposure (IL-1beta, IFN-gamma, TNF-alpha, LPS), warm and cold ischemia on HO-1 mRNA and protein, a member of heat shock proteins, was investigated. It was observed that IFN-gamma caused the highest HO-1 mRNA expression, followed by TNF-alpha, LPS and IL- 1beta. Each stimuli increased HO-1 mRNA expression after 0.5 h, peaked at 3 h and decreased after 6 h. Highest HO-1 protein expression was observed after 0.5 to 1 h of stimulation with IFN-gamma, which was followed by LPS, TNF-alpha and IL-1beta. The peak of HO-1 expression using all four stimuli (CM) was after 6 h. CM caused a significant increase in LDH and AST after 12 h. Warm and cold ischemia stimulated HO-1 mRNA expression in human hepatocytes at 0.5-1 h. HO-1 protein expression had its maximum between 0.5-6 h. Cellular damage measured as the release of LDH and AST was significant after 24 h. Mimicking oxydative stress, hepatocytes were exposed to 200-1000 µM H2O2 for 6 h which also showed an increased HO-1 mRNA and protein expression. HO-1 mRNA and protein expression revealed an increase after SNAP exposure at 3-12 h. Results with CoPP (10 µM), a potent inducer of HO- 1, displayed an increase in HO-1 mRNA and protein expression. It was proved, that CoPP induced new synthesis of mRNA and protein by its blocking agents such as actinomycin D and cycloheximide, respectively. Hemin (10 µM), another inducer of HO-1, triggered HO-1 mRNA expression after 3 h and protein expression after 6 h. The HO-1 enzyme activity was measured by bilirubin production after exposure to CM, as well as warm and cold ischemia. The highest enzyme activity was found after warm ischemia, followed by cold ischemia, CM and then by the control group. Fe2+ content of the cells, used as another method to judge HO-1 activity, confirmed our findings. Pre-treatment of human hepatocytes with different concentrations of CoPP (1-50 µM) protect cells against warm or cold ischemia. Therefore, we conclude that pharmacological induction of HO-1 may have therapeutic potential under inflammatory conditions such as seen during liver resection or liver transplantation.

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Die Hämoxygenase-1 (HO-1) ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Hämabbaus und ist wichtiger Regulator inflammatorischer Prozesse. Der Verlauf einer experimentellen akuten Pankreatitis (AP) konnte im Tiermodell durch HO-1 Induktion abgemildert werden. Die Aktivierung und Proliferation pankreatischer Stellatum Zellen (PSC) wird durch eine experimentelle HO-1 Induktion inhibiert und kann so möglicherweise vor der Fibrosierung des Pankreasparenchyms bei chronischer Pankreatitis (CP) schützen. Die Transkription der HO-1 wird durch einen GT-Repeat beeinflusst, der im Promoter lokalisiert ist. Diese Arbeit untersuchte, ob Varianten des GT-Repeat oder weitere genetische Varianten der HO-1 mit verschiedenen Pankreatitisformen assoziiert sind. Der GT-Repeat und der SNP rs2071746 wurden mit fluoreszensmarkierten Primern bzw. mit Schmelzkurvenanalyse bei 285 Patienten mit AP, bei 208 Patienten mit alkoholischer CP (ACP), bei 207 mit idiopathischer/hereditärer CP (ICP/HCP), 147 Patienten mit Alkoholischer Leberzirrhose (ALZ) und bei 289 Kontrollen untersucht. Bei den ACP Patienten wurde die GT-Repeat Analyse auf insgesamt 446 Patienten erhöht. Zusätzlich wurden die kodierenden HO-1 Abschnitte mittels DNA-Sequenzierung bei 145 Patienten mit ACP, 138 Patienten mit ICP/HCP, 147 Patienten mit ALZ und bei 151 Kontrollen analysiert. Das Exon 3 wurde darüber hinaus bei zusätzlichen ICP/HP Patienten und Kontrollen untersucht. Die Längenverteilungen des GT-Repeat, die Allelverteilung des SNP rs2071746 und die Verteilung der bei der DNA-Sequenzierung gefundenen synonymen und nicht synonymen Varianten waren bei allen untersuchten Gruppen nicht signifikant unterschiedlich. Obwohl die funktionellen Daten einen Einfluss von HO-1 Varianten auf die Pathogenese der verschiedenen Pankreatitis-Formen nahelegen, konnte unsere umfangreiche genetische Analyse keine Assoziation nachweisen. Genetische Varianten der HO-1 haben keinen Einfluss auf die Entwicklung einer AP, ACP, ICP/HCP und ALZ.:Inhaltsverzeichnis Vorbemerkung ..................................................................................................... 3 Bibliographische Beschreibung.......................................................................... 4 Abkürzungen/Abbildungen ................................................................................ 6 1. Einleitung........................................................................................................9 1.1 Akute Pankreatitis ......................................................................................................................... 9 1.2 Chronische Pankreatitis ............................................................................................................... 11 1.3 Genetische Aspekte der Chronischen Pankreatitis ...................................................................... 12 1.3.1 Kationisches Trypsinogen (PRSS1) ...................................................................................... 12 1.3.2 Anionisches Trypsinogen (PRSS2) ....................................................................................... 14 1.3.3 Serinproteaseinhibitor, Kazal Typ1 (SPINK1)..................................................................... 14 1.3.4 Chymotrypsin C (CTRC) ...................................................................................................... 15 1.3.5 CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) ...................................... 15 1.4 Hämoxygenase-1 ......................................................................................................................... 16 1.4.1 Physiologische Bedeutung der Hämoxygenase-1 (HO-1) .................................................... 16 1.4.2 Genetische Varianten der Hämoxygenase-1 ........................................................................ 18 1.4.3 Hämoxygenase-1 und Pankreatitis....................................................................................... 20 1.5 Hypothese/Fragestellung ............................................................................................................. 21 2. Publikation ..................................................................................................... 22 3. Zusammenfassung der Arbeit ...................................................................... 23 4. Literaturverzeichnis...................................................................................... 28 5. Danksagung.................................................................................................... 35 6. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit .......................... 36 7. Lebenslauf ...................................................................................................... 37

Die Hämoxygenase 1 (HO-1) ist ein Stressprotein mit antientzündlichen, immunsupprimierenden und zytoprotektiven Eigenschaften, welche in vielen Tiermodellen nachgewiesen wurden. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind wenig bekannt. Diese Arbeit demonstriert erstmalig, dass die physiologische Induktion von HO-1 wichtig für die Limitierung von T-Zell-abhängigen Hautentzündungen ist. So führt der HO-1-Inhibitor, Zinn-Protoporphyrin IX (Sn-PPIX), zu einer verstärkten Hautentzündung im Mausmodell. Die pharmakologische Induktion von HO-1 durch Kobalt-Protoporphyrin IX, Co-PPIX, hemmt dagegen die Entzündung in DNFB- bzw. TMA-induzierten murinen Kontaktallergiemodellen sowohl bei Verabreichung von Co-PPIX während der Sensibilisierung als auch vor der Auslösung. Bemerkenswerterweise hemmt eine Co-PPIX-Behandlung die Antigen-induzierte T-Zellproliferation ex vivo in Milzzellen von behandelten Mäusen und in vitro in humanen mononukleären Zellen des peripheren Blutes. Da eine HO-1-Induktion durch Co-PPIX nur in Monozyten und in aus Monozyten abgeleiteten myloischen Dendritischen Zellen (MDDC), nicht aber in T-Zellen, beobachtet wurde, fokussierten alle weiteren Untersuchungen auf Antigen-präsentierende Zellen. HO-1-Induktion durch Co-PPIX reduziert die Expression von MHC-Klasse II und akzessorischen Molekülen und steigert die Phagozytose und den oxidativen Burst von Monozyten. Die immunphänotypische Differenzierung und Maturierung von MDDC wird gehemmt. Funktionsteste zeigen eine Reduktion der Expression und Sekretion von proinflammatorischen und immunstimulatorischen Zytokinen, während die Sekretion des antientzündlichen Zytokins IL-10 gesteigert ist. Die Fähigkeit der MDDC zur Antigenpräsentation gegenüber T-Helferzellen ist für Allo- und Recallantigene stark herabgesetzt. Mittels adenoviraler HO-1-Transduktion von MDDC konnte die Spezifität der Effekte bestätigt werden. Diese Daten zeigen, dass eine verstärkte HO-1-Aktivität die Dendritischen Zellen zu einem unreifen und immunkompromittierten Phänotyp verändert und weisen darauf hin, dass die HO-1-Induktion einen wichtigen Ansatz für die Hemmung der zellulären Immunität und für die Behandlung von T-Zell-abhängigen Hautentzündungen darstellt. / Heme oxygenase 1 (HO-1) is an antiinflammatory stress protein. Its immunosuppressive and cytoprotective activities have been demonstrated in several animal models. The underlying mechanisms, however, are poorly understood. This study demonstrates for the first time that the physiological induction of HO-1 is important for the limitation and resolution of T cell-dependent skin inflammation. So, the HO-1 inhibitor, tin protoporphyrin IX (Sn-PPIX), augments cutaneous inflammation in mouse model. Moreover, pharmacologic HO-1 induction by the potent HO-1 inducer, cobaltic protoporphyrin IX (Co-PPIX), inhibits inflammation when applied around sensitization or before challenge in murine DNFB- and TMA-induced contact hypersensitivity models. Remarkably, Co-PPIX treatment inhibits antigen-driven T cell proliferation both ex vivo in murine splenocytes and in vitro in human peripheral blood mononuclear cells. Since induction of HO-1 mRNA and protein was found in monocytes and monocyte-derived myeloid dendritic cells (MDDC) but not T cells, further investigations focused on antigen-presenting cells. HO-1 induction by Co-PPIX depresses monocytic MHC class II and accessory molecule expression whereas phagocytosis and respiratory burst activities are augmented. Moreover, HO-1 induction inhibits the immunophenotypic differentiation and maturation of MDDC. Functional analysis revealed a decreased proinflammatory cytokine production whereas secretion of the antiinflammatory cytokine IL-10 is increased. Remarkably, the antigen-presenting capacity of MDDC for T-helper cells is diminished both for allo- and for recall-antigens. Adenoviral HO-1 transduction of MDDC confirmed that the effects are mediated by HO-1. These data indicate that an enhanced HO-1 activity switches myeloid DCs to an immature and functionally compromised phenotype and suggest that HO-1 induction represents an important approach for depressing T cell immunity and for the treatment of T cell-dependent skin inflammation.