In der Volumentherapie galt das Kolloid Hydroxyethylstärke (HES) lange Zeit als ideale Infusionslösung und war der in Deutschland am häufigsten eingesetzte Plasmaexpander. In den letzten Jahren mehrten sich jedoch die Hinweise, dass HES insbesondere bei kritisch Kranken zu einer akuten Nierenfunktionsverschlechterung beitragen könnte, welche das klinische Ergebnis wesentlich beeinflusst. Der genaue Pathomechanismus ist bis heute nicht geklärt. Bekannt ist, dass sich HES nach intravenöser Applikation in vielen verschiedenen Geweben ablagert, wobei eine renale Anreicherung bevorzugt in proximalen Tubuluszellen stattfindet. Histopathologisch finden sich große Mengen intrazellulärer Vesikel im Zytoplasma, welche zu einer Zellschwellung führen, die auch als osmotische Nephrose bezeichnet und als prinzipiell reversibel erachtet wird. Der zelluläre Abbau soll dabei im Allgemeinen über das lysosomale System stattfinden. Dieses ist fester Bestandteil der Autophagie, welche ein evolutionär in allen Eukaryonten konservierter stress-induzierter kataboler Prozess ist, der der zellulären Homöostase und energieeffizienten Selbstreinigung dient. Hierbei werden defekte Makromoleküle durch Lysosomen in ihre Grundbestandteile zerlegt und der Zelle als Bausteine wieder zur Verfügung gestellt.
In dieser Arbeit wurde in einem ersten Schritt der Einfluss von HES der 3. Generation auf die Viabilität von HK-2-Zellen mit zwei unabhängigen in vitro Assays überprüft. Diese beruhen auf einem Substratumsatz durch zytosolische bzw. mitochondriale Dehydrogenasen. Für beide Assays konnte zu verschiedenen Inkubationszeitpunkten bis 21 Stunden jeweils eine konzentrationsabhängige Viabilitätsreduktion durch HES festgestellt werden, welche auch nach einer „Regenerationsphase“ noch verringert nachweisbar und somit partiell reversibel war.
Im nächsten Schritt wurde die Hypothese überprüft, ob eine medikamentöse Induktion der Autophagie die beobachtete Viabilitätsreduktion abschwächen oder sogar aufheben kann. Hierbei wurde analog zu einer Arbeit von Liu et al. (2014) eine Inkubationszeit von insgesamt acht Stunden gewählt, da nach diesem Zeitraum eine perinukleäre Cluster-Bildung der Lysosomen beobachtet werden konnte, welche für eine erhöhte Autophagierate spricht. Es kamen im Folgenden HES-Lösungen von 0,75% zum Einsatz, da diese aufgrund einer Viabilitätsreduktion um zirka ein Drittel als am besten geeignet betrachtet wurden. Der Autophagieinduktor Everolimus zeigte hierbei in dem auf mitochondrialen Dehydrogenasen basierenden EZ4U-Assay eine fast vollständige Aufhebung der HES-vermittelten Viabilitätsreduktion. Dieser Effekt konnte durch den MAP-Kinase-Kinase-Blocker U0126 aufgehoben werden. Andere Autophagiemodulatoren hingegen bewirkten zumeist nur geringe Änderungen der Zellviabilität.
Zuletzt wurde auf Proteinebene untersucht, ob zentrale Moleküle bzw. Komplexe der Autophagie unter HES zum einen im zeitlichen Verlauf und zum anderen unter zusätzlichem Einfluss der Modulatoren eine Expressionsänderung aufwiesen. HES alleine bewirkte im zeitlichen Verlauf weitestgehend keine signifikante Expressionsänderung. Auch im Vergleich zu einer 0%-HES-Kontrolllösung konnten keine relevanten Unterschiede festgestellt werden. Die Koinkubation mit Everolimus führte zu einer erhöhten Expression der Quotienten ppERK/pERK und LC3BII/LC3BI, U0126 konnte dies jeweils weitestgehend wieder aufheben. Perifosin bewirkte ebenso wie 3-Methyladenin eine verringerte Expression von Akt, Chloroquin führte zu keiner signifikanten Expressionsänderung aller bestimmter Proteine. Darüber hinaus verursachten alle Modulatoren keine signifikante Expressionsänderung des zentralen Autophagiekomplexes Beclin1 sowie von LAMP2 und SQSTM1.
Insgesamt sprechen die Ergebnisse dieser Arbeit gegen eine allgemeine, direkte Beeinflussung von klassischer Autophagie durch HES. Der Autophagieinduktor Everolimus zeigte jedoch einen protektiven Effekt auf die Zellviabilität, welcher vermutlich über einen Autophagie-vermittelten Weg verursacht wird. Unsere Arbeitsgruppe konnte darüber hinaus eine HES-vermittelte Reduktion von ROS beobachten. Das Autophagienetzwerk ist eng mit der zellulären Redox-Homöostase verknüpft. Eine verminderte ROS-Bildung könnte zu einer verminderten Autophagierate und somit auch verringerten Zellviabilität führen, welche durch Everolimus kompensiert wird.
Bisher ungeklärt ist auch, auf welchem Weg HES in die Zelle aufgenommen wird. Denkbar wäre, dass größere HES-Moleküle via Endozytose in die Zelle gelangen. Hierbei ist der mTORC1-Komplex ein wichtiger Regulator, der durch Everolimus gehemmt wird und somit über eine verringerte HES-Aufnahme zu einer Viabilitätssteigerung führen könnte. Kleinere HES-Moleküle dagegen könnten über Glukose-Transporter aufgenommen werden, die möglicherweise über AMPK reguliert werden. / In volume therapy, the colloid hydroxyethyl starch (HES) was long considered the ideal infusion solution and was the most commonly used plasma expander in Germany. In recent years, however, there has been increasing evidence that HES may contribute to acute renal function deterioration, particularly in critically ill patients, which significantly affects clinical outcome. The exact pathomechanism has not been elucidated to date. What is known is that HES is deposited in many different tissues after intravenous administration, with renal accumulation occurring preferentially in proximal tubule cells. Histopathologically, large amounts of intracellular vesicles are found in the cytoplasm, leading to cell swelling, also known as osmotic nephrosis, which is considered reversible in principle. Cellular degradation is generally thought to occur via the lysosomal system. This is an integral part of autophagy, which is an evolutionarily conserved stress-induced catabolic process in all eukaryotes that serves cellular homeostasis and energy-efficient self-purification. In this process, defective macromolecules are broken down into their basic components by lysosomes and made available again to the cell as building blocks.
In this work, as a first step, the influence of 3rd generation HES on the viability of HK-2 cells was tested using two independent in vitro assays. These are based on substrate turnover by cytosolic and mitochondrial dehydrogenases, respectively. For both assays, a concentration-dependent viability reduction by HES was detected at different incubation times up to 21 hours, which was still detectable in a reduced manner after a "regeneration phase" and thus partially reversible.
In the next step, the hypothesis was tested whether a drug induction of autophagy could attenuate or even reverse the observed viability reduction. Here, analogous to a work by Liu et al. (2014), an incubation period of eight hours in total was chosen, since after this period a perinuclear cluster formation of the lysosomes could be observed, which speaks for an increased autophagy rate. In the following, HES solutions of 0.75% were used, as these were considered most suitable due to a viability reduction of about one third. The autophagy inducer everolimus showed an almost complete abolition of the HES-mediated viability reduction in the mitochondrial dehydrogenase-based EZ4U assay. This effect could be abolished by the MAP kinase kinase blocker U0126. In contrast, other autophagy modulators mostly caused only minor changes in cell viability.
Finally, we investigated at the protein level whether central molecules or complexes of autophagy showed a change in expression under HES on the one hand in the time course and on the other hand under the additional influence of the modulators. HES alone largely did not cause a significant change in expression over time. Also in comparison to a 0%-HES control solution no relevant differences could be detected. Coincubation with everolimus increased the expression of ppERK/pERK and LC3BII/LC3BI ratios, and U0126 largely reversed this in each case. Perifosine caused decreased expression of Akt, as did 3-methyladenine, and chloroquine caused no significant change in expression of all specific proteins. In addition, all modulators did not cause a significant change in expression of the central autophagy complex Beclin1, as well as LAMP2 and SQSTM1.
Overall, the results of this work argue against a general direct effect of HES on classical autophagy. However, the autophagy inducer everolimus showed a protective effect on cell viability, which is presumably caused by an autophagy-mediated pathway. Furthermore, our research group was able to observe a HES-mediated reduction of ROS. The autophagy network is closely linked to cellular redox homeostasis. Decreased ROS formation could lead to decreased autophagy rate and thus decreased cell viability, which is compensated by everolimus.
The pathway by which HES is taken up into the cell has also not yet been clarified. It is conceivable that larger HES molecules enter the cell via endocytosis. Here, the mTORC1 complex is an important regulator that is inhibited by everolimus and could thus lead to an increase in viability via reduced HES uptake. Smaller HES molecules, on the other hand, could be taken up via glucose transporters, which are possibly regulated via AMPK.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:28251 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Stein, Florian |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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