Rauchen ist ein wichtiger Risikofaktor für Atherosklerose. Tabakrauch enthält über 4000 verschiedene Chemikalien, darunter polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, oxidierende Mittel, Feinstaub und Nikotin. Nikotin beschleunigt die Bildung von Plaque im Gefäßsystem, da es die Ausschüttung von Katecholaminen und somit eine Erhöhung von Herzfrequenz und Blutdruck fördert. Darüber hinaus hat Nikotin direkte Auswirkungen auf die Zellen, die an der Plaquebildung beteiligt sind.
Bei der Studie handelt es sich um eine in Vitro-Studie, bei der höhere Dosen und längere Expositionen verwendet wurden, als dies im wirklichen Leben jemals der Fall wäre. Die Ergebnisse sind daher unrealistisch und nicht auf lebende Organismen oder den menschlichen Körper übertragbar.
Pathogenese von tabakbedingten Gefäßerkrankungen
Rauchen ist ein wichtiger vermeidbarer Risikofaktor für Atherosklerose. Die Exposition gegenüber Zigarettenrauch aktiviert eine Reihe von Mechanismen, die für Atherosklerose prädisponieren, darunter Thrombose, Insulinresistenz und Dyslipidämie, vaskuläre Entzündungen, abnormales Gefäßwachstum und Angiogenese sowie der Verlust der homöostatischen und regenerativen Funktionen des Endothels. Die pathophysiologischen Mechanismen, durch die Tabakrauch Gefäßerkrankungen beschleunigt, sind vielfältig und komplex, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass der Rauch über 4000 verschiedene Chemikalien enthält. Von diesen sind die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, Oxidationsmittel, Feinstaub und Nikotin als potenziell zur Atherogenese beitragende Faktoren identifiziert worden. Zusätzlich zu seiner Rolle als Gewöhnungsfaktor im Tabakkonsum beschleunigt Nikotin auch die Gefäßerkrankungen. Durch die Ausschüttung von Katecholaminen erhöht Nikotin die Herzfrequenz und den Blutdruck. Diese nachteiligen hämodynamischen Wirkungen werden mit dem Fortschreiten der Atherosklerose in Verbindung gebracht. Darüber hinaus erhöht die nikotininduzierte Freisetzung von Katecholaminen die Aggregierbarkeit der Blutplättchen. Thrombozyten tragen durch die Anhäufung von Thromben sowie durch die Freisetzung von Wachstumsfaktoren (z. B. Thrombozyten-Relaxing-Faktor), die die Proliferation der glatten Gefäßmuskelzellen anregen, zum Plaquewachstum bei. Zusätzlich zu diesen durch die Aktivierung des sympathischen Nervensystems vermittelten Wirkungen hat Nikotin direkte Wirkungen auf die an der Plaquebildung beteiligten zellulären Elemente.
Nikotinsignalisierung in der Gefäßwand
Die Wirkungen von Nikotin auf Zellen in der Gefäßwand werden durch cholinerge Rezeptoren vermittelt. Es gibt zwei Haupttypen von cholinergen Rezeptoren, die muskarinischen und die nikotinischen. Während Acetylcholin beide Rezeptortypen stimuliert, stimuliert Nikotin vorzugsweise den nicotinischen Rezeptor. Die Muscarinrezeptoren sind 7-Transmembranen überspannende G-Protein-gesteuerte Rezeptoren. Im Gegensatz dazu bestehen die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) aus jeweils 5 Untereinheiten, die tonnenförmig angeordnet sind und einen Kanal in der Zellmembran bilden. Die Aktivierung der nAChRs durch endogenes Acetylcholin oder exogenes Nikotin erhöht die Durchlässigkeit dieser ligandengesteuerten Kanäle für Kationen. Es gibt 16 verschiedene Isoformen (α1-α10, β1-β4, δ, γ. und ɛ) der Untereinheiten, die homomere oder heteromere Kanäle bilden. Die kombinatorische Assoziation verschiedener α- und β-Untereinheiten führt zu funktionell unterschiedlichen nAChR-Subtypen, die eine unterschiedliche Ligandenaffinität, Kationenpermeabilität und Signalübertragung aufweisen. Die nAChRs wurden zuerst in erregbaren Zellen identifiziert, später aber auch in vielen anderen Zelltypen, einschließlich Gefäß- und Immunzellen.
Eine neue Rolle für den "Muskeltyp" nAChR bei der Atherosklerose
Der "Muskeltyp" nAChR, der zuerst in der neuromuskulären Verbindung der Skelettmuskulatur gefunden wurde, besteht aus einer spezifischen Anordnung von fünf Polypeptiduntereinheiten (α1, β1, δ und ɛ in einem Verhältnis von 2:1:1:1). Diese Untereinheiten sind inzwischen auch in anderen Zelltypen, darunter Endothelzellen, beschrieben worden. In dieser Ausgabe von Atherosclerosis liefern Zhang und Kollegen Beweise dafür, dass der nAChR vom Muskeltyp eine direkte Rolle bei der Regulierung der Proliferation und Migration von glatten Gefäßmuskelzellen spielen könnte. Sie beobachteten zunächst, dass die Expression der α1-Untereinheit in den Aorten von ApoE-defizienten Mäusen, die mit einer westlichen Diät gefüttert wurden, um das Vierfache erhöht war (im Vergleich zu den Aorten von Mäusen, die mit normalem Futter gefüttert wurden), und in den glatten Gefäßmuskelzellen und einigen Makrophagen lokalisiert war. Es wurde nicht festgestellt, ob die Expression der anderen Untereinheiten des klassischen "Muskeltyp"-nAChR erhöht war. Es ist jedoch bekannt, dass die Ausschaltung der α1-Untereinheit die Funktion des Muskeltyp-nAChR aufhebt. Um festzustellen, ob die erhöhte Expression der α1-Untereinheit von pathophysiologischer Bedeutung ist, verwendeten sie einen hydrodynamischen Ansatz, um Haarnadel-nAChR-α1-siRNA in vivo in die abdominale Aorta einzubringen. Ihr Ansatz ermöglichte eine signifikante und anhaltende (16 Wochen) Unterdrückung der Untereinheit in der Aorta. Die Herunterregulierung der α1-Untereinheit war mit einer drastischen Verringerung (um 80 %) der atherosklerotischen Läsionsfläche in der Bauchaorta verbunden.
Auswirkung der α1-Stillegung auf Plaque-Zellen und parakrine Faktoren
Während der Entwicklung der atherosklerotischen Läsion wandern proliferierende vaskuläre glatte Muskelzellen (vsmc; oder ein vsmc-Vorläufer) in die Intima ein und durchlaufen eine phänotypische Modulation zu Myofibroblasten und osteoblastenartigen Zellen. Dort bauen sie extrazelluläre Matrix (Kollagen und Osteopontin) auf und nehmen sogar Lipide auf, um Makrophagen-abgeleiteten Schaumzellen zu ähneln. In dieser Studie war das Ausschalten der α1-Untereinheit mit einer 80-prozentigen Verringerung der Myofibroblasten in der Läsion und einer Verringerung der Expression von TGFβ, einem vsmc-Mitogen, verbunden. In der Aortenwurzel zeigte die Quantifizierung von Masson- oder von Kosa-gefärbten Schnitten, dass die Ausschaltung der α1-Untereinheit mit einer Verringerung der Akkumulation der extrazellulären Matrix (Kollagen und Osteopontin) und einer Abschwächung der Kalzifizierung einherging. Diese Ergebnisse stimmen mit der Hypothese der Autoren überein, dass die Aktivierung des "Muskeltyp"-nAChR die Proliferation und Migration von vaskulären glatten Muskelzellen in die Intima induziert, was zum Teil durch TGFβ vermittelt wird.
Darüber hinaus zeigten immunhistochemische Untersuchungen und Western-Blot-Analysen, dass das α1-Silencing mit einer signifikanten Verringerung der Immunzellen in der Aortenwand einherging. Es ist nicht klar, ob die Wirkung auf die Makrophagenakkumulation auf eine direkte Wirkung der α1-siRNA auf Makrophagen in der Gefäßwand zurückzuführen ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die α1-Silencing-Methode die nAChR-vermittelte Aktivierung anderer Plaque-Zellen reduziert und dadurch deren Bildung von Adhäsionsmolekülen oder Chemokinen, die an der Makrophagenakkumulation beteiligt sind, gehemmt hat.
In diesem Zusammenhang scheint die Immunhistochemie für a1-Untereinheiten in der Gefäßwand eine gewisse endotheliale Verteilung zu zeigen. Ist es möglich, dass ein endothelialer nAChR vom "Muskeltyp" an der endothelialen Aktivierung und der Expression von Adhäsionsmolekülen oder Chemokinen beteiligt ist? Als Beweis dafür, dass ein endothelialer nAChR bei der Atherogenese eine Rolle spielt, hat die Ausschaltung von a1 die Neovaskularisierung von Aortenplaques deutlich reduziert.
Pathologische Neovaskularisierung und der endotheliale nAChR
Diese Beobachtung stimmt mit der Vorstellung überein, dass die Neovaskularisierung der Plaques entscheidend an der Plaqueprogression beteiligt ist. In diesem Zusammenhang zeigte die Gruppe von Judah Folkman, dass Endostatin und andere anti-angiogene Wirkstoffe das Fortschreiten des Plaquewachstums in Apolipoprotein (ApoE)-defizienten Mäusen blockieren können. Darüber hinaus verringerte die Hemmung der Plaque-Angiogenese die Ansammlung von Makrophagen im Atherom. In einem mit Cholesterin gefütterten Kaninchenmodell fanden Celletti et al. heraus, dass der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) die Neovaskularisierung und das Wachstum der Plaques fördert. Von Bedeutung für die vorliegende Arbeit ist, dass Nikotin die Plaqueprogression und Neovaskularisierung in der ApoE-/- Maus verstärkt. Diese Wirkung von Nikotin war unabhängig von den Plasmalipidwerten und wurde durch Rofecoxib, einen bekannten Angiogenesehemmer, blockiert. In klinisch relevanten Konzentrationen steigert Nikotin in vitro die Proliferation von Endothelzellen, die Migration und die Bildung kapillarähnlicher Netzwerke. Diese Wirkung von Nikotin (oder endogenem Acetylcholin) auf Endothelzellen scheint weitgehend durch den homomeren α7-nAChR vermittelt zu werden. Pharmakologischer Antagonismus (durch Alpha-Bungarotoxin), genetischer Knockout oder siRNA-Knockdown des α7-nAChR hemmt signifikant die nikotininduzierte Aktivierung der Endothelzellen und angiogene Prozesse. Es ist möglich, dass die in dieser Studie verwendeten Reagenzien (die Antikörper gegen die α1-siRNA und die α1-Untereinheit) eine gewisse Kreuzreaktivität für den endothelialen α7-nAChR aufweisen. Alternativ könnte der "Muskeltyp"-nAChR eine wichtige Rolle bei der endothelialen Aktivierung spielen.
Erforschung der Rolle des nAChR bei Atherosklerose
Dieser Artikel wirft eine Reihe von interessanten Fragen auf. Erstens: Gibt es wirklich einen nAChR vom Muskeltyp", der von allen Zellen in der Gefäßwand oder der atherosklerotischen Plaque exprimiert wird? Wie bereits erwähnt, bestehen diese heteromeren Rezeptoren in der neuromuskulären Verbindungsstelle des Erwachsenen aus β1-, δ- und ɛ-Untereinheiten sowie aus α1-Untereinheiten. Obwohl das Vorhandensein der α1-Untereinheit mit der Existenz eines vaskulären Rezeptors vom Muskeltyp übereinstimmt, ist es auch möglich, dass es eine atypische Konfiguration von α1-haltigen nAChRs in den Plaque-Zellen gibt. In Anbetracht der notorischen Kreuzreaktivität der Antikörper gegen nAChR-Untereinheiten ist es auch möglich, dass eine andere nAChR-Untereinheit (z. B. α7) beteiligt ist. Obwohl eine Spezifität mit siRNA-Silencing möglich sein sollte, wurde in dieser Arbeit nicht dokumentiert, dass das Silencing spezifisch für die α1-Untereinheit war.
Es muss noch viel mehr über die Funktion und die Signalübertragung von nAChRs auf die einzelnen Zelltypen, die zur Plaquebildung beitragen, verstanden werden. Die Forscher liefern in ergänzenden Daten einige Hinweise darauf, dass der α1-haltige nAChR die Proliferation und Migration von glatten Gefäßmuskelzellen vermittelt. Dies steht im Einklang mit früheren Arbeiten, die zeigen, dass Nikotin die Bildung von Fibroblasten-Wachstumsfaktor und Metalloproteinase durch glatte Gefäßmuskelzellen induzieren kann. In Bezug auf Immunzellen haben diese Forscher zuvor gezeigt, dass die α1-Untereinheit auf Makrophagen exprimiert wird und ihre Expression mit der Calpain-Aktivität von Makrophagen und Entzündungen in Zusammenhang steht. Andererseits ist auch bekannt, dass Acetylcholin die von Makrophagen exprimierten α7-nAChRs stimuliert. Durch die Stimulation dieses Rezeptors wird die Synthese proinflammatorischer Zytokine herunterreguliert und die Entzündung in Tiermodellen der Sepsis verhindert. Der α7-nAChR der Makrophagen ist ein entscheidendes Element für die entzündungshemmende Wirkung der Stimulation des Vagusnervs.
Durch welchen Mechanismus wird die α1-Untereinheit in der atherosklerotischen Gefäßwand hochreguliert? Was ist der endogene Ligand, und welche Zellen produzieren ihn? Acetylcholin ist der klassische endogene Agonist der nAChRs. Bemerkenswert ist, dass Acetylcholin in Endothelzellen synthetisiert und gespeichert wird, was darauf hindeutet, dass es als autokriner Faktor im Gefäßsystem wirken könnte. Weitere potenzielle nAChR-Agonisten sind Cholin und die Peptide SLURP-1 und -2 (Lymphozytenantigen 6/Urokinase-Typ Plasminogenaktivator-Rezeptor-verwandtes Protein-1 und -2). Die SLURP-Peptide sind allosterische Modulatoren der nAChRs. Ob diese Peptide in der Gefäßwand exprimiert werden oder bei Atherosklerose hochreguliert werden, ist unbekannt.
Was sind die klinischen Auswirkungen dieser Arbeit? Jüngste genomische Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine Sequenzvariante in der Gruppe von Genen auf Chromosom 15, die für nikotinische Acetylcholinrezeptoren kodieren, mit einem erhöhten Risiko für periphere Arterienerkrankungen verbunden ist. Obwohl diese Wirkung möglicherweise durch eine erhöhte Nikotinabhängigkeit vermittelt wird, ist es auch möglich, dass diese genetische Variante die vaskuläre Reaktion auf Nikotin beeinflusst. Wenn schließlich Nikotin selbst am Fortschreiten der Atherosklerose beteiligt ist, welche Auswirkungen hat dies auf Nikotinersatztherapien (NRT) für Raucher? Am 27. Oktober 2010 veranstaltete die FDA einen öffentlichen Workshop, um die Risiken und Vorteile einer Zulassung der Langzeitanwendung von Nikotinersatztherapien (d. h. über die derzeit zugelassene Höchstdauer von 12 Wochen hinaus) zu diskutieren. Bei diesem Workshop wurde deutlich, dass sich die kurzfristige Anwendung von Nikotinersatztherapien als sicher und wirksam bei der Tabakentwöhnung erwiesen hat, dass es jedoch nur wenige klinische Daten zur Sicherheit und Wirksamkeit der langfristigen Anwendung von Nikotinersatztherapien gibt. In Verbindung mit anderen präklinischen Forschungsergebnissen deutet die aktuelle Studie darauf hin, dass Nikotin selbst atherosklerotische Erkrankungen beschleunigen kann. Solange keine klinischen Daten über die Langzeitanwendung von Nikotin vorliegen, sollte der umsichtige Kliniker bei Versagen der Kurzzeitanwendung von Nikotin auf andere Ansätze zur Tabakentwöhnung zurückgreifen.
https://doi.org/10.1016/j.atherosclerosis.2011.01.003
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21345436/
Lee J, Cooke JP. The role of nicotine in the pathogenesis of atherosclerosis. Atherosclerosis. 2011;215(2):281-283. doi:10.1016/j.atherosclerosis.2011.01.003
