Die Bedeutung von Gap Junctions bei der interzellulären Ausbreitung von Calciumsignalen in humanen Endothelzellen

Das Gefäßendothel hat eine wichtige Funktion in der lokalen
Regulation des Gefäßtonus. Veränderungen im Blutfluss („shear
stress“) und/oder die Bindung von vasoaktiven Substanzen (Histamin,
ATP) führen über einen endothelialen Calciumanstieg zur Bildung von
Stickstoffmonoxid (NO), das in der benachbarten glatten
Gefäßmuskulatur zur Relaxation der Zellen und damit zur Dilatation
des Gefäßes führt. Für eine wirkungsvolle Endothelfunktion ist
dabei ein synchrones Verhalten aller Endothelzellen - als Folge
eines synchronen zytosolischen Calciumanstiegs – eine wichtige
Voraussetzung. Für die vorliegende Arbeit wurde postuliert, dass
eine synchrone Calciumantwort nach Stimulation der Endothelzellen
mit Histamin oder ATP entscheidend von der Gap Junction Kopplung
zwischen den Zellen abhängt. Dieser Kopplung käme somit eine neue
modulierende Rolle für die Reaktion des Endothels auf
vasodilatierende Substanzen zu. Kultivierte humane
Nabelschnurvenenendothelzellen (HUVEC) wurden mit Histamin oder ATP
vor, während und nach pharmakologischer Gap Junction Blockade
stimuliert und der zeitliche Verlauf des Calciumanstiegs in allen
individuellen Zellen eines Sichtfeldes wurde mit Hilfe eines
Mikroskop-basierten Kamerasystems analysiert. Als Maß für die
calciumabhängige NO-Bildung wurde der Histamin-induzierte cGMP
Anstieg in Endothelzellen unter Kontrollbedingungen und nach Gap
Junction Inhibition untersucht. Die Verteilung von Histamin- und
ATP-Rezeptoren innerhalb der HUVECPopulation wurde mit
Durchflusszytometrie bzw. Immunfluoreszenz analysiert. Zusätzlich
wurde nach mechanischer Stimulation von Einzelzellen untersucht, ob
der von Gap Junctions abhängige zytosolische Calciumanstieg in
Nachbarzellen („Calciumwelle“) auf der Ausbreitung von Ca2+
und/oder der Ausbreitung des calciumfreisetzenden Signalstoffs IP3
beruht. Ausgehend von initial reagierenden Zellen erfolgte der
Calciumanstieg nach Zugabe von Histamin und ATP zeitlich verzögert
in deren Nachbarzellen. Während einer Blockade der gap-junctionalen
Kommunikation konnte nur in etwa 40 % der Zellen eine
Calciumreaktion beobachtet werden. Diese Beobachtungen an HUVEC
wurden zudem in ersten Versuchen am isolierten Gefäß nach
Stimulation mit ATP bestätigt. Die Histaminrezeptoren waren in
HUVEC-Kulturen inhomogen verteilt und nur in einem Teil der Zellen
nachweisbar. Außerdem war nach einer Gap Junction Blockade die
cGMP-Konzentration (als Maß für die NO-Bildung) in HUVEC-Zelllysat
nach Stimulation mit Histamin deutlich verringert. Es konnte
weiterhin gezeigt werden, dass IP3 eine wichtige Rolle für die
Ausbreitung der Calciumwelle über Gap Junctions spielt. Diese
Ergebnisse zeigen, dass die interzelluläre Kommunikation über Gap
Junctions für eine synchrone Antwort des Endothels auf die
vasoaktiven Substanzen Histamin und ATP wesentlich ist. Eine
Inhibition der interzellulären Kommunikation führt zu einem
verminderten Calciumanstieg und verminderter NO-Produktion in der
Endothelschicht. Gap Junctions modulieren somit die Sensitivität
des Endothels auf vasoaktive Substanzen. Eine gezielte
Beeinflussung der Gap Junction-Permeabilität des Endothels könnte
somit ein vielversprechender Ansatzpunkt für die Therapie von
pathophysiologischen Gefäßveränderungen wie Atherosklerose oder
Diabetes darstellen, die mit vasomotorischen
Endothelfunktionsstörungen einhergehen.