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Etomidat wird aufgrund seines raschen Wirkungseintrittes, seiner hohen adrenostatischen Potenz und seiner relativ guten klinischen Verträglichkeit zunehmend in der Behandlung des ausgeprägten Hyperkortisolismus verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Etomidat auf die adrenale Steroidbiosynthese, die ACTH-Rezeptor-Expression und das Proliferationsverhalten der Nebennierenrinde untersucht. Etomidat erwies sich als bislang potentestes Adrenostatikum, das eine frühzeitige Inhibition von P450c11 und in höheren Konzentrationen eine Inhibition von P450scc zeigte.Weiterhin besitzt Etomidat eine bislang nicht beschriebene inhibitorische Wirkung auf die Aktivität der DHEA-Sulfotransferase. Auf mRNA-Ebene führte Etomidat zu einer leichtgradigen Verminderung der Expression von P450c17 und P450c21, auf Proteinebene ließ sich dahingegen eine deutlich vermehrte Expression von P450scc und eine leichtgradig vermehrte Expression von StAR nachweisen. Die Expression des ACTH-Rezeptors wird durch Etomidat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene zumindest in hohen Konzentrationen gehemmt. Ein signifikanter dosisabhängiger Einfluss von Etomidat auf das Proliferationsverhalten adrenaler Zellen lässt sich weiterhin nachweisen. Passend dazu zeigte sich eine Reduktion der Phosphorylierung von ERK-1 und -2. Die Verminderung der Zellzahl ist durch eine Verzögerung des Zellzyklus eher als durch Auslösung von Apoptose zu erklären.
DHEA is a precursor for the male and female sex hormones testosterone and estradiol, which are mainly secreted from the testes and the ovary, respectively. In addition, epidemiological studies showed that low serum levels of DHEA and DHEAS correlate with the incidence of autoimmune disease, cancer and cardiovascular disease. In vitro, DHEA and DHEAS influenced glucose metabolism in a favourable manner. However, positive effects of DHEA substitution were only significant adrenal insufficiency in women.
Steroid sulphotransferase 2A1 (SULT2A1) is the responsible enzyme for sulphonation of DHEA to DHEAS which is thought to be the inactive form of DHEA. In this role, SULT2A1 acts as a central regulator of steroid synthesis because sulphonation of DHEA withdraws the substrate for further downstream conversion. Another essential cofactor for sulphonation is PAPS, which is produced by the enzyme PAPS synthase (PAPSS) from ATP and anorganic sulphate. PAPSS exists in the different isoforms PAPSS1 and PAPSS2 and splice variants PAPSS2a and PAPSS2b. Changes in PAPSS activity are thought to influence sulphonation of DHEA significantly. However, neither regulation of PAPSS nor its influence on SULT2A1 have been investigated in human cell lines or humans.
The main goal of this thesis was to analyze the enzyme expression of the DHEA/DHEA shuttle, i.e. mRNA and protein of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2, in various human cell lines. Furthermore, I investigated which cell line could serve as a suitable model for further research regarding regulation of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2.
Here, I could show that the enzymes of the DHEA/DHEAS shuttle were expressed in the human adrenal cell line NCI-h295R as both mRNA and protein. In enzyme assays, I was able to prove conversion of DHEA to DHEAS as well as to different other steroids. However, applying Trilostane, a potent inhibitor of CYP3B, effectively directed conversion of DHEA to DHEAS. Using these findings, future experiments can investigate for example the influence of certain cytokines or endocrine disruptors on expression and activity of PAPSS1/2 and on sulphonation of DHEA. In particular, the relatively equal expression of PAPSS1 and PAPSS2 will enable us to do knock down experiments with siRNA to elucidate how the activity of one enzyme changes when the other one fails.
Sulphonation of DHEA by SULT2A1 is thought to happen in the cytoplasm or more precisely in the Golgi apparatus. However, experiments in transfected cells have shown both a cytoplasmatic and a nuclear localisation when both enzymes were expressed at the same time. Immunocytochemistry revealed the same results in the adrenal cell line NCI-h295R, where both enzymes were expressed strongly in the nucleus. The physiological role is not clear and requires further research. Presumably, sulphate is activated in the nucleus. However, one could also speculate that a shift of PAPSS to the nucleus could generate a reservoir, which can be activated by re-localisation to the cytoplasm when more PAPS is needed.
Expression of SULT2A1 in some foetal tissues has been investigated earlier. Whilst in adult human cartilage PAPSS1 is predominant, in newly born hamsters PAPSS2 is more abundantly expressed. The expression of PAPSS isoforms in highly sulphonating tissue has not been investigated in humans, so far. This work demonstrated a differential expression of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2 in adult and foetal liver, adrenal and foetal cartilage tissue. In adult and foetal adrenal expression was similar. However, foetal and adult liver differed in the expression of SULT2A1, which was expressed much more in adult tissue. Most importantly, in foetal cartilage there was only a low expression of SULT2A1 and PAPS seems to mostly provided by PAPSS1, which was considerably higher expressed in cartilage than in other tissues. In contrast, PAPSS2 was mainly expressed in adult and foetal adrenal.
Additionally, we reported a case of a female patient who had been investigated for hyperandrogenism. Two mutations in the PAPSS2 gene had led to massively reduced serum levels of DHEAS. One heterozygous mutation in the domain of the APS kinase of the PAPSS2 protein leads to substitution of one amino acid at position 48 (T48R). In vitro experiments showed a residual activity of 6% for this mutation. A second mutation in the ATP sulphurylase domain of PAPSS2 was found. The introduction of thymidine instead of cytidine leads to a stop codon, which is presumed to truncate the protein at position 329 (R329X). In vitro, no residual activity was seen for this mutation. The lack of PAPS reduces sulphonation of DHEA but also sulphonation of proteoglycanes, which leads to skeletal abnormalities. The abundance of DHEA enables massive downstream conversion to androgens leading to clinical features of hyperandrogenism. Regarding the bone abnormalities, it is interesting and surprising that activity of PAPSS1 compensated to a great extent in cartilage but was not able to keep up a more considerable sulphonation of DHEA. Possibly, the subcellular localisation might play a role in this scenario.
Spiroergometrische Dauerbelastung von Probanden mit Morbus Addison, Diabetes mellitus Typ 1, Polyglandulärem Autoimmunsyndrom Typ 2 (erkrankt sowohl an Mb. Addison als auch an Diabetes mellitus Typ1) und gesunden Kontrollen. Blutzuckerverlauf, hormonelle Gegenregulation und kognitive Leistungsfähigkeit vor und nach Belastung wurden gemessen.
Während einer spiroergometrischen Dauerbelastung von 23 Minuten zeigte sich bei keinem der 10 Probanden mit ausschließlich Morbus Addison eine Neigung zur Hypoglykämie trotz fehlender Einnahme der mittäglichen Glukokortikoiddosis. Die Blutzucker blieben bei sämtlichen Probanden stabil und es zeigte sich sogar ein leichter Anstieg in der der Ergometrie anschließenden Nachbeobachtungsphase, eventuell als Hinweis auf eine mögliche Entwicklung einer Inulin-Resistenz.
Auf die erwartungsgemäße Mindersekretion von Adrenalin zeigte sich eine ame ehesten kompensatorisch leicht höhere Sekretion von Noradrenalin als bei den nebennierengesunden Gruppen. Die übrige Sekretion gegenregulatorischer Hormone entsprach den Vergleichsgruppen.
Die geleistete Arbeit am Fahrradergometer war bei den Probandengruppen mit Morbus Addison und APS 2 nahezu identisch, die Morbus Addison – Probanden traten sogar minimal weniger Ergometerwiderstand über die 15 Minuten Dauerbelastung. Dennoch zeigten die Probanden mit ausschließlich M. Addison einen adäquaten Anstieg der gegenregulatorischen Hormone ohne starke Schwankungen der Plasmaglukose, wohingegen es bei den Probanden mit APS 2, zu einem deutlichen Abfall der Plasmaglukose kam trotz deutlich niedrigerer Insulinkonzentrationen im Vergleich zur Probandengruppe mit ausschließlich Diabetes mellitus Typ 1. Die unzureichende Sekretion von Adrenalin, sowie der geringste Konzentrationsanstieg von Noradrenalin und dieser Untersuchung auch Wachstumshormon aller Probandengruppen verhinderte einen adäquaten Wiederanstieg des Blutzuckers.
Die Probanden mit Nebennierenrindeninsuffizienz verzeichneten teils signifikant schlechtere Ergebnisse bei einem Konzentrations- und einem Kurzzeitgedächtnistest im direkten Anschluss an die Ergometrie im Vergleich mit den anderen Probandengruppen.
Es gab keine relevanten Unterschiede der Testergebnisse in Ruhe. Die nebenniereninsuffizienten Probanden verbesserten sich jedoch signifikant weniger nach der Ergometrie bzw. zeigten nach dem Dauertest teils sogar schlechtere Leistungen. Die Probandengruppen mit Diabetes mellitus Typ 1 und die Kontrollgruppe zeigten eine erwartungsgemäße Verbesserung ihrer Leistung als Reaktion auf die vorherige körperliche Aktivität. Die Unterschiede in der kognitiven Performance sind am ehesten mit der unzureichenden Adrenalinsekretion und einem fehlenden akuten Cortisolanstieg der nebenniereninsuffizienten Probanden zu erklären.
Die Probanden mit Nebennierenrindeninsuffizienz wurden mit signifikant niedrigeren Widerständen am Fahrradergometer belastet als die nebennierengesunden Probanden. Ein möglicher Erklärungsansatz hierfür könnte eine gewisse cortisonbedingte Myopathie sein. Dies verdeutlicht nochmals die Notwendigkeit der Optimierung der Glukokortikoidsubstitutionstherapie. Neue Substitutionsregime sollten möglichst die physiologische circadiane Sekretionsrhythmik besser imitieren und im Optimalfall die Tagesdosis an Hydrocortison reduzieren, um glukokortikoidbedingte Nebenwirkungen wie Myopathie und Insulin-Resistenz zu reduzieren.
Die Probanden mit polyglandulärem Autoimmunsyndrom Typ 2, welche sowohl an Morbus Addison als auch an Diabetes mellitus Typ 1 leiden, müssen im Rahmen von Patientenschulungen besonders auf das Risiko von Hypoglykämien bei vermehrter körperlicher Aktivität hingewiesen werden. Patienten mit Insulinpumpe sollten das Ausschalten währenddessen erwägen und darüber hinaus besondere Aufmerksamkeit auf die Einnahme einer zusätzlichen Kohlenhydrateinheit für den Sport walten lassen. Eine zusätzliche Einnahme des Glukokortikoids ist in diesem Zusammenhang nicht sinnvoll. [31]
Ein vor dem Sport beispielsweise inhalativ appliziertes Epinephrinpräparat wäre eine mögliche Strategie zur Verbesserung des Plasmaglukose-Outcomes nach sportlicher Betätigung auf moderatem bzw. hohem Anstrengungslevel bei Patienten mit Morbus Addison und Diabetes mellitus Typ 1 und sollte Gegenstand weiterführender Studien sein.