Hintergrund: Der Morbus Wilson ist eine seltene, angeborene Störung des Kupferstoffwechsels, bei welcher es zu Akkumulationen von Kupfer und infolgedessen zu Schäden in verschiedenen Organen des menschlichen Körpers kommt. Die Therapie besteht vor allem darin, den Kupferspiegel medikamentös zu senken. In einzelnen Fällen wurde der Kupferspiegel während der Therapie so weit gesenkt, dass bei den Patient*innen neurologische Symptome auftraten (sogenannte Kupfermangel-Myeloneuropathien). Kupfer ist ein essenzieller Kofaktor mehrerer Enzyme im menschlichen Körper, so auch der Cytochrom-c-Oxidase, welche einen wichtigen Bestandteil der mitochondrialen Atmungskette und damit der zellulären Energiegewinnung darstellt. Die Bestimmung ihrer Aktivität ist bisher für verschiedene Zellen und Gewebe etabliert worden, ein standardisierter Assay für die Bestimmung in Thrombozyten existiert jedoch nicht. Fragestellung: Für die optimale Bestimmung der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität in Thrombozyten sollen bereits existierende Methoden angepasst werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die Aktivität der Cytochrom-c-Oxidase bei Morbus Wilson-Patient*innen unter kupfersenkender Therapie zu untersuchen und auf einen Zusammenhang zum Serum-Kupferspiegel zu prüfen. Die Frage, ob eine zu starke Kupfersenkung durch die Therapie des Morbus Wilson zu einer verringerten Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität führt und ob diese Myeloneuropathien hervorruft, soll somit beantwortet werden. Material und Methodik: Es wurden 36 Morbus Wilson-Patient*innen unter kupfersenkender Therapie und 20 gesunde Kontrollproband*innen untersucht. Es erfolgte eine Blutabnahme für die Gewinnung der Thrombozyten sowie für die Bestimmung des Serum-Kupferspiegels. Die Bestimmung der Aktivität der Cytochrom-c-Oxidase erfolgte spektralphotometrisch in Thrombozyten. Des Weiteren wurde die Aktivität des Komplex-II der Atmungskette bestimmt, da dieser nicht kupferabhängig ist und seine Aktivität daher bei Kupfermangel nicht eingeschränkt sein sollte. Zusätzlich ermöglichte die Berechnung des Quotienten der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität und der Komplex-II-Aktivität die Erfassung sehr geringer Aktivitätseinschränkungen der Cytochrom-c-Oxidase. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die spektralphotometrische Messung dieser beiden Enzymaktivitäten in Thrombozyten entwickelt und optimiert. Zur Justierung der Enzymaktivitäten bei unbekannter Mitochondrienmenge diente die Aktivität der ausschließlich in Mitochondrien vorkommenden Citratsynthase. Die so bestimmten Enzymaktivitäten wurden mittels SPSS zwischen Wilson-Patient*innen und Kontrollproband*innen verglichen und untereinander sowie mit dem Serum-Kupferspiegel auf Zusammenhänge untersucht. Ferner wurden die Morbus Wilson-Patient*innen klinisch auf Anzeichen für Myeloneuropathien untersucht, um die Untersuchungsergebnisse anschließend auf einen Zusammenhang zu der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität zu prüfen. Ergebnisse: Der auf den Untersuchungen von Kirby et al. beruhende Assay für die spektralphotometrische Bestimmung der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität in isolierten Mitochondrien konnte durch die Zugabe von 0,3 mM Dodecylmaltosid für die Messung in Thrombozyten erfolgreich optimiert werden. Ebenso wurde der Assay für die Komplex-II-Aktivität durch die Zugabe von 1 mg/ml BSA für die Bestimmung in Thrombozyten erweitert (Kirby et al., 2007). Die Aktivität der Cytochrom-c-Oxidase der Wilson-Patient*innen war signifikant niedriger als die der Kontrollgruppe, während die Kontrollgruppe eine signifikant höhere Komplex-II-Aktivität aufwies. Der Quotient von Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität und Komplex-II-Aktivität war in der Patient*innengruppe folglich ebenfalls signifikant erniedrigt. In der Analyse aller untersuchten Proben zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen Serum-Kupferspiegel und Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität, welcher in der Betrachtung der Subgruppen (Wilson Patient*innen und Kontrollproband*innen) jedoch nicht nachgewiesen werden konnte. Keiner der untersuchten Patient*innen wies klinische Anzeichen für Myeloneuropathien auf.
Schlussfolgerung: Der optimierte Assay der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität und Komplex-II-Aktivität in Thrombozyten erlaubt die zuverlässige Bestimmung der Atmungskettenaktivität in einem einfach zugänglichen Gewebe und ist damit für vielfältige Fragestellungen einsetzbar, wenn Einflüsse medizinischer Maßnahmen auf die mitochondriale Funktion untersucht werden sollen. Mit 36 Morbus Wilson-Patient*innen umfasst diese Arbeit eine der bisher größten untersuchten Patient*innengruppen dieses seltenen Krankheitsbildes. Der erniedrigte Quotient der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität und Komplex-II-Aktivität ist als Bestätigung einer Cytochrom-c-Oxidase-Einschränkung bei Morbus Wilson-Patient*innen unter kupfersenkender Therapie zu werten. Die Korrelation zwischen dem Serum-Kupferspiegel und der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität sowie die Aktivitätsreduktion der Cytochrom-c-Oxidase in der Patient*innengruppe ist eine wichtige Erkenntnis für die zukünftige Überwachung und gegebenenfalls Anpassung der Therapie von Morbus Wilson. Der Zusammenhang zwischen der Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität und Myeloneuropathien sollte an Patient*innen mit Myeloneuropathien weiter untersucht werden. Es wurde jedoch gezeigt, dass Kupfermangel und niedrige Cytochrom-c-Oxidase-Aktivitäten nicht unbedingt mit Myeloneuropathien einhergehen. Therapie-induzierte Kupfermangel-Myeloneuropathien gilt es weiterhin zu vermeiden. / Background: Wilson’s disease is a rare, congenital disorder of copper metabolism, which leads to accumulations of copper and consequent damage in various organs of the human body. The therapy consists mainly in lowering the copper level by medication. In individual cases, the copper level was lowered during the therapy to such an extent that the patients developed neurological symptoms (so-called copper deficiency myeloneuropathies). Copper is an essential cofactor of several enzymes in the human body, including cytochrome c oxidase, which is an important component of the mitochondrial respiratory chain and thus of cellular energy production. The determination of its activity has been established so far for various cells and tissues, but a standardized assay for its determination in platelets does not exist. Purpose: For the optimal determination of cytochrome c oxidase activity in platelets, existing methods will be adapted. The aim of this work is to investigate the activity of cytochrome c oxidase in Wilson’s disease patients under copper-lowering therapy and to test for a correlation to serum copper levels. The question of whether excessive copper lowering by Wilson’s disease therapy leads to reduced cytochrome c oxidase activity and whether this possibly causes myeloneuropathies will thus be answered. Material and Methods: 36 Wilson’s disease patients under copper-lowering therapy and 20 healthy control subjects were studied. Blood was drawn for platelet collection and determination of serum copper levels. The activity of cytochrome c oxidase was determined spectrophotometrically in platelets. Furthermore, the activity of complex II of the respiratory chain was determined, since this is not copper-dependent and its activity should therefore not be limited in copper deficiency. In addition, calculation of the quotient of cytochrome c oxidase activity and complex II activity allowed detection of very low activity limitations of cytochrome c oxidase. In this dissertation, the spectrophotometric measurement of these two enzyme activities in platelets was developed and optimized. The activity of citrate synthase, which occurs exclusively in mitochondria, was used to adjust the enzyme activities when amount of mitochondria was unknown. The enzyme activities determined in this way were compared between Wilson’s disease patients and control subjects using SPSS and examined for correlations with each other and with serum copper levels. Furthermore, the Wilson’s disease patients were clinically examined for signs of myeloneuropathies, in order to subsequently examine the examination results for a correlation to the cytochrome c oxidase activity. Results: The assay for spectrophotometric determination of cytochrome c oxidase activity in isolated mitochondria, based on studies of Kirby et al, was successfully optimized for measurement in platelets by the addition of 0.3 mM dodecylmaltoside. Similarly, the assay for complex II activity was enhanced by the addition of 1 mg/ml BSA for determination in platelets (Kirby et al., 2007). The activity of cytochrome c oxidase of Wilson patients was significantly lower than that of the control group, with the control group had a significantly higher complex II activity. Consequently, the quotient of cytochrome c oxidase activity and complex II activity was also significantly lower in the Wilson patient group. A significant correlation between serum copper level and cytochrome c oxidase activity was found in the analysis of all samples examined, which, however, could not be proven in the examination of the subgroups (Wilson patients and control subjects). None of the patients examined showed clinical signs of myeloneuropathies. Conclusion: The optimized assay of cytochrome c oxidase activity and complex II activity in platelets allows reliable determination of respiratory chain activity in an easily accessible tissue and is thus applicable to a variety of questions when influences of medical interventions on mitochondrial function are to be investigated. With 36 Wilson's disease patients, this work includes one of the largest groups of patients of this rare disease studied so far. The decreased quotient of cytochrome c oxidase activity and complex II activity is a confirmation of cytochrome c oxidase impairment in Wilson’s disease patients on copper-lowering therapy. The correlation between serum copper level and cytochrome c oxidase activity as well as the reduction of cytochrome c oxidase activity in the patient group is an important finding for future monitoring and, if necessary, adjustment of Wilson’s disease therapy.
The relationship between cytochrome c oxidase activity and myeloneuropathies should be further investigated in patients with myeloneuropathies. However, it has been shown that copper deficiency and low cytochrome c oxidase activities are not necessarily associated with myeloneuropathies. Therapy-induced copper deficiency myeloneuropathies should continue to be avoided.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:92576 |
| Date | 25 July 2024 |
| Creators | Wolter, Franziska |
| Contributors | Reichmann, Heinz, Lee-Kirsch, Min Ae, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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