Dokument: Charakterisierung molekularer Mechanismen der Modulation der Myofibrogenese humaner Hautfibroblasten durch blaues Licht (lambda=453 nm)

Titel:	Charakterisierung molekularer Mechanismen der Modulation der Myofibrogenese humaner Hautfibroblasten durch blaues Licht (lambda=453 nm)
Weiterer Titel:	Characterization of molecular mechanisms of modulation of myofibrogenesis of human skin fibroblasts by blue light (lambda=453 nm).
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58752
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220208-142356-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Steentjes, Pia [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,47 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 03.02.2022 / geändert 03.02.2022
Beitragende:	Prof. Dr. rer. nat. Suschek, Christoph Viktor [Gutachter] PD Dr. rer. nat. Mahotka, Csaba [Gutachter]
Stichwörter:	Blaues Licht, Myofibrogenese, Fibroblasten
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Eine gestörte Regulation der Fibroblasten-Differenzierung (FBD) zu Myofibroblasten (MyFB) korreliert mit der Pathogenese fibrotischer Erkrankungen, wie zum Beispiel der Entstehung hypertropher Narben oder Keloide sowie der Pathogenese des Morbus Dupuytren (MD). Der Zugrunde liegende Pathomechanismus besteht einerseits aus einer erhöhten Proliferationsrate von Fibroblasten sowie einer vermehrten, anhaltenden Differenzierung zu MyFB, andererseits aus einer verminderten Apoptoserate dieser Zellen. Da die Differenzierung über den Transforming growth factor  (TGF-)-Signalweg abläuft, spielt dieser eine entscheidende Rolle in dem Prozess. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die physiologisch im Rahmen der Aktivität verschiedener Flavin-haltiger Enzyme generiert werden können, beispielsweise der NADPH-Oxidasen (NOX) oder der mitochondrialen NADH-Dehydrogenase, übernehmen ebenso eine wichtige Aufgabe in der Progression der FBD. Um die Differenzierung von Fibroblasten zu Myofibroblasten nachzuweisen, gilt das Protein alpha-smooth muscle actin (α-SMA) weiterhin als verlässlichster Marker. In vorangehenden Studien konnte gezeigt werden, dass eine Bestrahlung mit blauem Licht (λ=453 nm) die spontane, sowie TGF--induzierte Differenzierung von Fibroblasten zu Myofibroblasten signifikant und dosisabhängig reduzieren konnte. Im Rahmen der vorliegenden Studie sollte unter Verwendung einer Blaulicht-emittierenden Lichtquelle (λ=453 nm) aufgeklärt werden, welcher molekulare Mechanismus der Differenzierungsinhibition zugrunde liegt und welche Rolle die Flavin-haltigen Enzyme und ihre ROS-Produktion bei der Myofibrogenese spielen. Flavine sind Photoakzeptoren für blaues Licht und kommen als Ko-Faktoren bei einer Reihe von Enzymen vor. Vor diesem Hintergrund untersuchte ich den Einfluss von blauem Licht auf die Flavin-haltigen Komplexe der Atmungskette. Ich beobachtete, dass die Bestrahlung mit blauem Licht mit nicht-toxischen Höchstdosen von 80 J/cm2 eine erhöhte Aktivität des mitochondrialen, Flavin-haltigen Komplex I (NADH-Dehydrogenase) auslöste. Dieser Befund stimmt überein mit der Beobachtung, dass Flavine durch blaues Licht photoreduziert werden können und die NADH-Dehydrogenase dadurch entkoppelt wird. In diesem Prozess werden vermehrt Elektronen transportiert, jedoch kein Substrat (NADH) verbraucht. Als Folge werden vermehrt ROS generiert, jedoch beobachtete ich auch eine signifikant verringerte ATP-Produktion der bestrahlten Zellen. Zudem konnte ich ebenfalls beobachten, dass neben der Atmungskette auch die Glykolyse und damit ein weiterer Teil des Energiemetabolismus der Zellen durch die Bestrahlung signifikant eingeschränkt wurde. Vermutlich als Folge der verringerten ATP-Synthese beobachtete ich eine deutlich signifikante Abnahme der Lysosomenfunktion, die bekanntermaßen stark ATP-abhängig ist. Außerdem untersuchte ich weitere mögliche Gründe für den erhöhten oxidativen Stress nach Lichtexposition. Dabei wurde deutlich, dass blaues Licht zu einer signifikanten Abnahme der Konzentration des reduzierten Glutathions (GSH) als auch der Aktivität der Glutathion Peroxidase und des antioxidativen Regulationsproteins Nrf2 führte. Die hier vorgelegten Daten weisen stark darauf hin, dass die durch blaues Licht induzierte Differenzierungshemmung humaner Fibroblasten durch eine vermehrte ROS-Produktion infolge einer eingeschränkten antioxidativen Kapazität der bestrahlten Zellen und zusätzlich durch eine Energiedepletion vermittelt wird. Als zugrundeliegender Mechanismus kann die Photoreduktion Flavin-haltiger Enzyme des Energiemetabolismus angenommen werden, was in zukünftigen Projekten weiter bestätigt werden muss. Unabhängig von der noch unsicheren Datenlage kann jedoch festgehalten werden, dass die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse dazu beitragen können, eine neue, effektive und nebenwirkungsarme Therapieoption zur Behandlung fibrotischer Erkrankungen, hypertropher Narben und Keloide zu entwickeln. A disturbed regulation of fibroblast differentiation (FBD) to myofibroblasts (MyFB) correlates with the pathogenesis of fibrotic disorders, such as the development of hypertrophic scars or keloids as well as the pathogenesis of Dupuytren's disease (MD). The underlying pathomechanism consists of an increased proliferation rate of fibroblasts and an increased, sustained differentiation to MyFB, as well as a decreased apoptosis rate of these cells. Since the differentiation occurs via the transforming growth factor (TGF) signaling pathway, it plays a crucial role in this process. Reactive oxygen species (ROS), which can be physiologically generated as part of the activity of various flavin-containing enzymes, such as NADPH oxidases (NOX) or mitochondrial NADH dehydrogenase, also play an important role in the progression of FBD. To detect the differentiation of fibroblasts to myofibroblasts, the most reliable marker is still considered to be the protein alpha-smooth muscle actin (α-SMA). In previous studies, it could be demonstrated that irradiation with blue light (λ=453 nm) could significantly and dose-dependently reduce spontaneous, as well as TGF--induced differentiation of fibroblasts to myofibroblasts. The intention of this study is to elucidate the effect of the irradiation with a blue light-emitting light source (λ=453 nm), on the molecular mechanism underlying the inhibition of differentiation and the role of flavin-containing enzymes, and their ROS production in myofibrogenesis. Flavins are photoacceptors of blue light and occur as co-factors in a number of enzymes. Considering this, the effect of blue light on flavin-containing complexes of the respiratory chain was investigated. It could be observed that irradiation with blue light at maximum non-toxic doses of 80 J/cm2 triggered an increased activity of the mitochondrial flavin-containing complex I (NADH dehydrogenase). This is consistent with the observation that flavins can be photoreduced by blue light, thereby uncoupling the NADH dehydrogenase. In this process, an increased electron transfer occurred but no substrate (NADH) was consumed. As a result, increased ROS are generated, and also a significantly decreased ATP production of the irradiated cells could be observed. In addition, the glycolysis, and thus another part of the energy metabolism of the cells, besides the respiratory chain, was significantly reduced by irradiation. Presumably as a consequence of the reduced ATP synthesis, a strongly significant decrease in lysosome function, which is known to be strongly ATP-dependent, could be observed. Furthermore, other possible reasons for the increased oxidative stress after light exposure were investigated. It was shown that blue light led to a significant decrease in the concentration of reduced glutathione (GSH) as well as in the activity of glutathione peroxidase and the antioxidant regulatory protein Nrf2. The presented data strongly suggest that blue light-induced inhibition of differentiation of human fibroblasts is mediated by increased ROS production resulting from impaired antioxidant capacity of the irradiated cells and additionally by energy depletion. The underlying mechanism can be assumed to be the photoreduction of flavin-containing enzymes of the energy metabolism, which needs to be further confirmed in future projects. Regardless of the still uncertain data situation, it can be stated that the knowledge gained in this work may contribute to the development of a new, effective therapy option with few side effects for the treatment of fibrotic disorders, hypertrophic scars, and keloids.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:	08.02.2022
Dateien geändert am:	08.02.2022
Promotionsantrag am:	05.09.2021
Datum der Promotion:	18.01.2022