• search hit 1 of 1
Back to Result List

Inhibition des nukleären Transkriptionsfaktors kappa B (NF-Kappa B) durch die kurzkettige Fettsäure Butyrat

Inhibition of the nuclear transcription factor kappa B by the short chain fatty acid butyrate

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-9052
  • Hintergrund: Durch anaerobe bakterielle Fermentation resistenter Stärke entstehen im Dickdarm des Menschen kurzkettige Fettsäuren (KKFS). Zu diesen zählt auch Butyrat, welches den Kolonepithelien als Hauptenergieträger dient. Mehrere klinische Studien konnten zeigen, daß eine lokale Therapie der Colitis ulcerosa (CU) mit Butyrat zu einer deutlichen Abnahme der Entzündungsaktivität führt. In nahezu sämtlichen entzündlichen Prozessen ist der nukleäre Faktor kappa B (NF-kappa B) an der transkriptionellen Regulation proinflammatorisch wirkenderHintergrund: Durch anaerobe bakterielle Fermentation resistenter Stärke entstehen im Dickdarm des Menschen kurzkettige Fettsäuren (KKFS). Zu diesen zählt auch Butyrat, welches den Kolonepithelien als Hauptenergieträger dient. Mehrere klinische Studien konnten zeigen, daß eine lokale Therapie der Colitis ulcerosa (CU) mit Butyrat zu einer deutlichen Abnahme der Entzündungsaktivität führt. In nahezu sämtlichen entzündlichen Prozessen ist der nukleäre Faktor kappa B (NF-kappa B) an der transkriptionellen Regulation proinflammatorisch wirkender Genprodukte beteiligt. Durch Mediatoren wie TNF alpha oder IL-1 beta wird eine nukleäre Translokation von normalerweise im Zytoplasma an inhibitorische I kappa B-Proteine gebundenem NF-kappa B hervorgerufen. Im Rahmen der CU ist NF-kappa B u. a. in Lamina propria-Makrophagen (LPMNC) und intestinalen Epithelzellen (IEC) aktiviert. Zielsetzung: In Zellkulturversuchen mit Adenokarzinomzelllinien (HeLa 229, SW480, SW620) sowie an Biopsien von Patienten mit einer distalen CU sollte aufgezeigt werden, inwieweit Butyrat die Aktivierung von NF-kappa B zu inhibieren vermag und welcher Mechanismus hier möglicherweise zugrunde liegt. Ergebnisse: Nach Stimulation von HeLa 229 mit TNF alpha oder IL-1 beta kommt es in ca. 90 % der Zellen zu einer nukleären Translokation von NF-kappa B, welche mittels einer Immunfluoreszenzmarkierung nachgewiesen wurde. Durch Vorinkubation mit 2 bzw. 4 mM Butyrat über 12, 24, 36 und 48 Stunden ließ sich sowohl eine zeit- als auch dosisabhängige Inhibition dieser Translokation erzielen. Bei Anwendung von 4 mM Butyrat war, verglichen mit unbehandelten Zellen, eine signifikante Reduktion des Anteils von nukleärem NF-kappa B bereits nach einer 24stündigen Inkubation (TNF alpha; IL-1 beta: 36 h), bei 2 mM Butyrat erst nach 36 h (TNF alpha; IL-1 beta: 48 h) festzustellen. Im direkten Vergleich von 2 und 4 mM Butyrat zeigte sich nach TNF alpha-Stimulation bereits nach 24 h ein signifikanter Vorteil der höheren Dosis, bei Verwendung von IL-1 beta erst nach 36 h. Die qualitativen Ergebnisse von HeLa 229 ließen sich ebenfalls an den Zelllinien SW480 und SW620 nachweisen. Bei Untersuchung des inhibitorischen I kappa B alpha-Proteins mittels Western Blot konnte für die o. g. Zelllinien eine TNF alpha-induzierte Phosphorylierung von I kappa B alpha aufgezeigt werden. Durch eine 24stündige Präinkubation mit 4 mM Butyrat war diese effektiv hemmbar. Nachweise von Ikappa B alpha an IL-1 beta-stimulierten HeLa 229-Zellen erbrachten, gemeinsam mit den Ergebnissen zur NF-kappa B-Translokation, Hinweise auf mögliche alternative I kappa B alpha-unabhängige Wege der NF-kappa B-Aktivierung. Hinsichtlich der klinischen Anwendung von Butyrat wurden LPMNC in Biopsien von Patienten mit einer distalen CU durch eine immunhistochemische Doppelfärbung von NF-kappa B und CD68 untersucht. Bei unbehandelten Erkrankten ließ sich in nahezu 80 % der LPMNC eine nukleäre Translokation von NF-kappa B nachweisen. Eine topische Behandlung mit 100 mM Butyrat (Klysmen) führte nach 4 Wochen zu einer signifikanten Reduktion der Anzahl von aktivierten LPMNC sowohl innerhalb der Butyrat- als auch im Vergleich mit der Placebogruppe. Dieser Effekt war auch nach 8 Wochen noch nachweisbar. Zur weiteren Objektivierung der Befunde wurden die Biopsien ebenfalls histologisch untersucht. Die Dichte der neutrophilen Granulozyten im Krypten- und Oberflächenepithel wurde durch Butyrat gegenüber Placebo signifikant reduziert; alle übrigen morphologischen Entzündungsparameter änderten sich mitunter zwar deutlich, jedoch wurde hier nicht das Signifikanzniveau erreicht. Klinisch konnte unter Butyratbehandlung bereits nach 4 Wochen eine signifikante Abnahme des Disease Activity Index (DAI) festgestellt werden, nach 8 Wochen auch im Vergleich mit der Placebogruppe. Signifikante endoskopische Veränderungen ergaben sich nach einer Behandlungsdauer von 8 Wochen nur innerhalb der Butyratgruppe. Schlussfolgerung: Was die Anwendung von Butyrat in der Behandlung der CU angeht, so konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, daß mit dieser KKFS sowohl in vitro (zytokinstimulierte Adenokarzinomzelllinien als Entzündungsmodell) als auch in vivo ein potenter und gleichzeitig kostengünstiger Inhibitor der NF-kappa B-Aktivierung zur Verfügung steht. So korreliert die im klinischen Teil dieser Untersuchung nachweisbare Reduktion der Entzündungsaktivität (DAI, Endoskopie-Score) mit einer signifikanten Hemmung der NF-kappa B-Translokation in LPMNC. Dennoch erscheinen, auch vor dem Hintergrund der geringen Fallzahlen, weitere Untersuchungen zur Anwendung von Butyrat bei Patienten mit einer CU sinnvoll.show moreshow less
  • Background: The short chain fatty acid (SCFA) butyrate as main energy source for colonocytes is produced by anaerobic bacterial fermentation of resistant starch within the colonic lumen. Several clinical trials suggest that topical treatment of ulcerative colitis (UC) with butyrate can be effective in ameliorating symptoms and controlling chronic inflammation of the intestinal mucosa. Nuclear factor kappa B (NF-kappa B) is a central mediator of inflammation and enhances the transcriptional regulation of several proinflammatory genes. In mostBackground: The short chain fatty acid (SCFA) butyrate as main energy source for colonocytes is produced by anaerobic bacterial fermentation of resistant starch within the colonic lumen. Several clinical trials suggest that topical treatment of ulcerative colitis (UC) with butyrate can be effective in ameliorating symptoms and controlling chronic inflammation of the intestinal mucosa. Nuclear factor kappa B (NF-kappa B) is a central mediator of inflammation and enhances the transcriptional regulation of several proinflammatory genes. In most unstimulated cells NF-kappa B is confined to the cytoplasm bound to its inhibitor I kappa B alpha. Stimuli such as TNF alpha or IL-1 beta lead to release of NF-kappa B from I kappa B alpha and nuclear translocation. In UC activated NF-kappa B was demonstated in lamina propria macrophages (LPMNC) and intestinal epithelial cells (IEC). Aims: The intention was to show if butyrate is able to inhibit NF-kappa B-activation and by which mechanism this might be achieved. Cultured adenocarcinoma cells (HeLa 229, SW480, SW620) and biopsy specimens of patients suffering from distal UC were investigated. Results: Stimulation of HeLa 229 with TNF alpha or IL-1 beta caused nuclear translocation of NF-kappa B in 90 % of the cells, detected by immunofluorescence staining. Preincubation with 2 and 4 mM butyrate for 12, 24, 36 and 48 hours lead to a time and dose dependent inhibition of NF-kappa B translocation. Using 4 mM of butyrate caused a significant decrease of nuclear NF-kappa B after 24 hours of pretreatment (TNF alpha; IL-1 beta: 36 h), using 2 mM of butyrate only after 36 hours (TNF alpha; IL-1beta: 48 h) compared to untreated cells. Direct comparison of both 2 and 4 mM butyrate treatment followed by a stimulation with TNF alpha showed a significant advantage of the higher dose after 24 hours, using IL-1beta this effect was observable only after 36 hours. Qualitive results of HeLa 229 could also be achieved in SW480 and SW620 cells. The investigation of inhibitory I kappa B alpha protein in the above mentioned cells by using a western blot system showed a TNF alpha-induced phosphorylation of I kappa B alpha. A 24 hour preincubation with 4 mM butyrate achieved an actual inhibition of I kappa B alpha-phosphorylation. Investigating IL-1 beta-stimulated HeLa 229 cells revealed an alternative and I kappa B alpha-independent way of NF-kappa B activation especially in correlation to the results of NF-kappa B -translocation experiments. Regarding the clinical application of butyrate an immunohistochemical double-staining of NF-kappa B and CD68 in LPMNC was established. In untreated patients nearly 80 % of the LPMNC showed a nuclear translocation of NF-kappa B. Topical treatment with 100 mM butyrate (klysma) for 4 weeks lead to a significant reduction of activated LPMNC in the verum-group as well as compared to placebo. This effect was still detectable after 8 weeks. In addition a detailed analysis of histological changes was performed. After treatment with butyrate a significant decrease in both the number of neutrophils in crypt and surface epithelia could be observed compared to placebo; however other butyrate-related morphological changes were clearly remarkable but not significantly different to those found in placebo-treated patients. Regarding the clinical course the comparison of DAI scores after 4 weeks already revealed a significant decrease in the butyrate-treated group, as well as after 8 weeks by between-group comparison. After 8 weeks a significant reduction of the endoscopic score of mucosal inflammation could be noticed in the butyrate-treated patients as compared to entry. Conclusions: Applying butyrate to treat UC, the presented work gives evidence for this SCFA to act in vitro (cytokine stimulated adenocarcinoma cells as a model for inflammation) and in vivo as a potent and inexpensive inhibitor of NF-kappa B activation. According to these data the clinically observed reduction of inflammation (DAI, endoscopic score) is significantly correlated to inhibition of NF-kappa B translocation in LPMNC. However the clinical results are preliminary and - especially regarding the case numbers - confirmation by a larger trial on the application of butyrate to patients with UC is necessary.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author: Tobias Ulrich Gerke
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-9052
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Medizinische Klinik (bis 2004)
Date of final exam:2004/04/23
Language:German
Year of Completion:2003
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Tag:Butyrat; Colitis ulcerosa; Kurzkettige Fettsäuren; Lamina propria-Makrophagen; Nukleärer Faktor kappa B
Butyrate; Lamina propria macrophages; Nuclear factor kappa B; Short chain fatty acids; Ulcerative colitis
Release Date:2004/07/01
Advisor:Prof. Dr. med. W. Scheppach