Dokument: Funktionelle Auswirkungen von mitochondrialen DNA-Deletionen auf die Hautalterung

Titel:	Funktionelle Auswirkungen von mitochondrialen DNA-Deletionen auf die Hautalterung
Weiterer Titel:	Impact of mitochondrial deletions on skin aging
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=16849
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20101214-111324-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schürmann, Bianca-Angela [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,39 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.12.2010 / geändert 10.12.2010
Beitragende:	Prof. Dr. Krutmann, Jean [Gutachter] Prof. Dr. Martin, William [Gutachter]
Stichwörter:	Hautalterung, mtDNA Deletionen
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen von UV-induzierbaren mtDNA-Deletionen in dermalen Fibroblasten auf die Hautalterung zu untersuchen. Es wurden sowohl Effekte auf die Integrität der Kollagenmatrix in dermalen Äquivalenten (DE) untersucht, aber auch die Einflüsse auf die Ausbildung und das Gleichgewicht der Epidermis im Vollhautmodell. Dazu wurden Fibroblasten, entnommen von Kearns-Sayre-Syndrom-(KSS)-Patienten, die bereits intrinsisch einen hohen Gehalt an der UV-induzierbaren Common Deletion aufweisen, sowie normale humane Fibroblasten (NHF) in dermale Äquivalente eingebracht und bis zu sechs Wochen in Langzeitkultur gehalten. Der Gehalt an Common Deletion blieb in den KSS DE über den ganzen Inkubationszeitraum konstant. In KSS DE wurde außerdem ein höherer Level an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) im Vergleich zu NHF DE festgestellt. Während der sechswöchigen Kultivierungszeit zeigten die KSS DE durchgehend eine erhöhte Matrixmetalloproteinase-1-(MMP-1)-Expression, sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene, welche nicht durch die Expression des entsprechenden Inhibitors TIMP-1 kompensiert wurde. KSS DE wiesen zudem eine stärkere proteolytische Aktivität auf, was sich in einem vermehrten Abbau von Kollagen in der dermalen Matrix und einem gleichzeitigen Anstieg des prozentualen Anteils an Kollagenfragmenten in den KSS DE äußerte. Die erhöhte MMP-1-Expression konnte durch Behandlung der DE mit Antioxidantien sowie durch Retinylacetat deutlich reduziert werden, Substanzen, die auch in der Therapie von Schäden durch (lichtinduzierte) Hautalterung eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Veränderungen im Kollagenmetabolismus konnte auch eine erhöhte Expression der hautalterungsrelevanten Faktoren Lysyloxidase (LOX), vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor (VEGF) und Interleukin 8 (IL-8) in KSS DE gemessen werden. LOX, die der Quervernetzung von Kollagen- und Elastinfasern dient, wird in UV-bestrahlter Haut verstärkt exprimiert. Lichtgealterte Haut neigt zur vermehrten Gefäßbildung, wobei VEGF eine wichtige Rolle spielt. Desweiteren kann man Alterung auch als einen chronischen Entzündungsprozess verstehen, bei dem eine Reihe Zytokine wie auch das IL-8 ausgeschüttet werden. In KSS-Fibroblasten konnten auch mehr oxidierte Proteine gefunden werden. So deuten alle genannten Faktoren daraufhin, dass KSS DE die molekularen und strukturellen dermalen Veränderungen lichtgealterter Haut widerspiegeln. Neben den dermalen Effekten von mtDNA-geschädigten Fibroblasten wurde in dieser Arbeit auch der Einfluss auf die epidermale Genese bzw. Homöostase untersucht. Es zeigte sich, dass Vollhautäquivalente, die KSS-Fibroblasten im dermalen Teil enthielten, zwar eine vollständig Epidermis ausbildeten, dass diese jedoch im Durchschnitt dünner war und aus weniger Zellschichten bestand, was mit einer verringerten Proliferation der Keratinozyten in KSS-Vollhautäquivalenten einherging. Diese Merkmale entsprechen ebenfalls dem Phänotyp gealterter Haut, der von Atrophie und beeinträchtigter Barrierefunktion gekennzeichnet ist. Die Erstellung eines Genexpressionsprofils der epidermalen Schicht der KSS Vollhautäquivalente sollte diesbezüglich weiteren Aufschluss geben. Zwei von vier untersuchten Enzymen der Sphingolipidsynthese zeigten eine signifikant höhere Expression in KSS- im Vergleich zu NHF-Hautäquivalenten, was entweder auf eine Gegenregulation als Antwort auf eine unzureichende Barrierefunktion, oder aber auch ein Hinweis auf eine Verschiebung in Richtung stärkere Differenzierung sein könnte. Für letzeres spräche, dass Proteine, die in der Entstehung des Cornified Envelopes eher zu Anfang gebildet werden wie Involucrin und Loricrin in KSS-Hautäquivalenten nicht signifikant höher exprimiert werden als bei NHF, im Gegensatz zum Filaggrin, welches ein charakteristischer Marker für fortgeschrittene Differenzierung ist. Die antimikrobiellen Proteine ß-Defensin und Cathelicidin wurden in KSS-Hautäquivalenten jedoch in geringerem Maße exprimiert als in normalen Hautäquivalenten. Abschließend läßt sich bescheinigen, dass Fibroblasten mit mtDNA-Deletionen einen erheblichen Einfluss auf die dermale Integrität und das epidermale Gleichgewicht haben, und zwar derart, dass es den Kennzeichen lichtgealterter Haut entspricht. Das Modell des KSS-Hautäquivalents könnte daher für weiterführende Studien zur Erforschung der Zusammenhänge von mtDNA-Mutationen und der Hautalterung herangezogen werden, ebenso wie zur Erprobung therapeutischer Strategien. Aim of this study was to elucidate the contribution of UV-inducible mtDNA deletions in dermal fibroblasts to photoaging of the skin. The impact of mtDNA deletions on the integrity of the collagen matrix in dermal equivalents and on the epidermal generation and homeostasis in full skin equivalents were studied. Therefore human dermal equivalents (DEs) were generated by employing human skin fibroblasts either derived from Kearns-Sayre syndrome (KSS) patients, who constitutively carry large amounts of the UV-inducible mitochondrial common deletion, or normal human volunteers. In comparison with normal DEs, KSS DEs exhibited significantly elevated common deletion levels over the whole long term incubation time of six weeks. Moreover the KSS DEs produced more reactive oxygen species (ROS). Importantly, during the six weeks culture period, KSS DEs showed an increased expression of matrix metalloproteinase-1 (MMP-1) compared to NHF DEs without appropriate compensation by the corresponding inhibitor TIMP-1. On protein level more MMP-1 was detected by immunhistochemistry as well as Western blot analysis of DEs. Also, more proteolytic activity of MMP-1 in KSS DEs in comparison to normal DEs was confirmed by zymographic approaches. This was associated with progressive loss of intact collagen fibers and a concomitant increase in collagen fragments in KSS DEs. Increased MMP-1 expression was reduced, if KSS DEs were treated with the antioxidants N-acetyl-cysteine and ascorbic acid or with retinyl acetate, that are commonly used in therapeutical treatments of (photo) aged skin. In addition to alterations in collagen metabolism, KSS DEs showed increased mRNA expression for lysyl oxidase (LOX), vascular endothelial growth factor (VEGF) and interleukin-8 (IL-8). LOX, which is responsible for cross-linking of collagen and elastin fibers, is highly induced in UV-irradiated skin. In addition, aged skin is stronger cross-linked than young skin. Photoaged skin is prone to stronger angiogenesis, too, amongst other factors mediated by VEGF. Last but noch least, skin aging can be understood as a chronic inflammatory process with cells secreting many cytokines like e. g. IL-8. Furthermore more oxidized proteins were found in KSS fibroblasts. In aggregate, the molecular and structural changes in KSS DEs strongly resembled those observed in photoaged skin. Beside dermal effects due to mtDNA-damaged fibroblasts influences on epidermal generation and homeostasis were investigated. Full skin equivalents habouring KSS fibroblasts in the dermal part exhibited a thinner epidermal compartment and less keratinocyte layers. Concomitant less proliferational capacity was observed in KSS full skin equivalents. This features are similar to those of photoaged skin, that is characterized by dermal as well as epidermal atrophy. To analyze the barrier function of the epidermal layers of KSS full skin equivalents a gen expression profil was generated, because barrier function can be disturbed in aged skin. Two of four enzymes of the sphingolipid synthesis showed a significantly higher expression in KSS in comparison to normal skin equivalents, namly ß-glucocerabrosidase and acidic sphingomyelinase. Maybe this is a counter regulation as response to a lack of barrier function, but otherwise it may be a sign for a shift towards stronger epidermal differentiation. The latter theory is supported by the fact that proteins needed at the beginning of cornified envelope generation like involucrin and loricrin are less affected than those that are involved in the final steps like the keratin linking protein filaggrin, which is significantly more expressed in KSS skin equivalents than in normal ones. However, the antimicrobial peptides ß-defensin and cathelicidin showed a lower expression level in KSS skin equivalents. Further studies concerning the barrier function in situ will surely result in a better understanding of the observed phenomena. Finally, it can be summarized that fibroblasts with mtDNA deletions do have an extensive influence on dermal integrity and epidermal homeostasis corresponding to the hallmarks of photoaged skin. Therefore the KSS equivalent is a very useful model to study the connection between mtDNA mutations and chronic photoaging as well as its prevention.
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Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » An-Institute » Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) an der HHU
Dokument erstellt am:	14.12.2010
Dateien geändert am:	10.12.2010
Promotionsantrag am:	09.09.2010
Datum der Promotion:	08.12.2010