Zeitstrukturen endokriner Systeme

Einfluss von Melatonin auf die Insulinsekretion pankreatischer Inseln

Nachdem es der Arbeitsgruppe „Chronoendokrinologie” (Leitung: Prof. Dr. Elmar Peschke) am Institut für Anatomie und Zellbiologie gelungen war, die Bedeutung von Melatonin für die Insulinsekretion zu konkretisieren, wurde zu Beginn des Jahres 2000 ein Langzeitprojekt der Sächsischen Akademie mit dem Titel „Zeitstrukturen endokriner Systeme” und dem Untertitel „Zum Einfluss von Indolaminen auf Sekretionsrhythmik und Signaltransduktionsprozesse der LANGERHANSschen Insel” eingerichtet und der bestehenden Gruppe angegliedert. Inzwischen konnte mittels zellphysiologischer, immunhistochemischer, biochemischer sowie molekularbiologischer Ergebnisse die Bedeutung chronobiologischer Aspekte für die Diabetogenese unterstrichen werden, was im Ergebnis einer externen Evaluierung des Projektes im März 2003 zur Anerkennung des Erreichten und Empfehlung der uneingeschränkten Weiterförderung des Vorhabens durch das Präsidium der Union der deutschen Akademien der Wissenschaften geführt hat.

Melatoninrezeptoren der β-Zelle
In der Einleitung wird bereits deutlich, dass dem epiphysären Indolamin Melatonin und der Berücksichtigung chronobiologischer Aspekte ein hoher Stellenwert für die experimentelle Diabetologie zukommt. Voraussetzung für die eigenen Ergebnisse war die Etablierung eines Superfusionssystems, das die Kinetik der Insulinsekretion unter dem Einfluss von Indolaminen im Tagesgang bei hoher zeitlicher Auflösung zulässt. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass Melatonin die Insulinsekretion senkt, während sie durch Serotonin erhöht wird (JPR 23, 156–163, 1997; CMLS 54, 733–743, 1998). Durch zusätzliche funktionelle, autoradiographische und molekularbiologische Untersuchungen konnte gesichert werden, dass die pankreatische b-Zelle über Melatoninrezeptoren verfügt und dass die Effekte über MT1-Rezeptoren vermittelt werden. Durch Rezeptorblockade mittels Luzindol konnten die Melatonineffekte aufgehoben werden (JPR 28, 156–164, 2000). Schließlich wurden Untersuchungen zur Erfassung des Einflusses von Melatonin auf die intrazelluläre Signaltransduktion angeschlossen, und nach Etablierung eines cAMP-RIA konnte gezeigt werden, dass die rezeptorvermittelten Effekte, über trimere Gi-Proteine mediiert, die Adenylatcyclase hemmen und konsekutiv den cAMP-Spiegel senken (JPR 33, 63–71, 2002). Da sich nicht alle Phänomene allein über den Gi-Adenylatcyclase-cAMP-Weg erklären lassen, wird gegenwärtig der Einfluss von Melatonin auf Gq-Proteine, die Phospolipase C und den second messenger IP3 untersucht. Dazu wurde ein IP3-RIA etabliert und festgestellt, dass Melatonin einen stimulierenden Einfluss auf IP3 ausübt. Die Janusgesichtigkeit des Melatonins im Hinblick auf unterschiedliche Signaltransduktionssysteme der β-Zelle, nämlich cAMP zu erniedrigen und IP3 zu erhöhen, sind Ausdruck der funktionellen Komplexität und mögliche Ursache für bisher widersprüchliche Angaben im Schrifttum.

Insulinsekretion erfolgt rhythmisch
Eine Schlüsselstellung nehmen die chronobiologischen Fragestellungen und Untersuchungen ein. Bedeutungsvoll war, dass erstmals festgestellt werden konnte, dass auch in vitro die Insulinsekretion einem circadianen Rhythmus folgt und dass dieser Rhythmus mit hoher Wahrscheinlichkeit in der pankreatischen Insel selbst generiert wird. Es ist davon auszugehen (und diese Feststellung ist nicht trivial), dass die Insel über einen circadianen Oscillator verfügt, der ganz offensichtlich unabhängig vom bekannten hypothalamischen pacemaker der Säugetiere, dem Nucleus suprachiasmaticus, circadiane Rhythmen generiert, wie eigene phase response-Untersuchungen belegen (Diabetologia 41, 1085–1092, 1998). In jüngerer Zeit werden erhebliche Anstrengungen unternommen, circadiane Expressionsmuster von Zeitgenen im Pankreas zu charakterisieren. Quantitative real-time RT-PCR-Ergebnisse lassen erkennen, dass die Uhrengene Per1 und Bmal1 ebenso wie das Uhrengen-beeinflusste Dbp circadian-rhythmisch im Pankreas exprimiert werden, wobei das Maximum für Per1- und Dbp-Transkripte mit minimaler Expression für Bmal1-mRNA koinzidiert. Das Uhrengen Clock wird dagegen konstitutiv, nicht circadian-rhythmisch im Pankreas exprimiert (FEBS-Lett., 2004 submitted).

Melatonin – ein potenter Radikalfänger
Dass Melatonin die Schwere des Alloxan-Diabetes zu reduzieren vermag, ist ebenso wie die Tatsache, dass Hydroxylradikale für die Diabetogenese von entscheidender Bedeutung sind, seit Jahrzehnten bekannt. Die Bedrohlichkeit ist durch die vergleichsweise geringe Ausstattung der b-Zelle mit Selbstverteidigungssystemen (Katalase, Superoxid-Dismutase, Glutathion) bedingt, die sich in höherem Alter, parallel zu erhöhter Diabetes-Inzidenz, noch weiter abschwächen. Durch eigene Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Melatonin ein vorzüglicher Radikalfänger ist und durch Alloxan generierte Hydroxylradikale zu neutralisieren vermag. Im Ergebnis ist festzustellen, dass Melatonin die diabetogene Wirkung von Alloxan antagonisiert, was die oben genannten Befunde erklären würde. Experimentell erfolgte der Nachweis von Hydroxylradikalen direkt durch Adduktierung an eine spezifische spin-trap mittels Elektronen-Spin-Resonanzmessung und zum anderen indirekt durch Hydroxylradikal-induzierte Lipidperoxidation. Da Melatonin konzentrationsabhängig einen Teil der gebildeten Hydroxylradikale wegfing – die halbmaximal wirksame Melatoninkonzentration (IC50) beträgt 23 µmol/l – ist davon auszugehen, dass hohen Melatonindosen eine antidiabetogene Wirkung zuerkannt werden kann (CMLS 55, 487–493, 1999; CMLS 57, 158–164, 2000; JPR 28, 65–72, 2000; JPR 29, 201–208, 2000; JPR 33, 239–247, 2002).

Klinische Reflexionen und Kooperationen
Die hier vorgestellten Inhalte stellen Schwerpunktbereiche eines weit umfangreicheren Arbeitspensums dar, das in zunehmendem Maße Kooperationen mit Kliniken der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg wie der Chirurgie (Prof. H. Dralle), Kinderklinik (PD U. Preiß) und Inneren Medizin (Prof. U. Schneyer) nutzt. Wichtig wurde ferner die Einbeziehung von Mutanten und transgenen Tiermodellen (diabetische GK-Ratten, NZO-Mäuse sowie Melatoninrezeptor-defiziente knock out-Mäuse). Damit wird den Zielstellungen des Akademieprojektes bereits frühzeitig entsprochen, das die Übertragbarkeit von Befunden, gewonnen an isolierten Inseln und immortalisierten Zellstämmen (INS1), in die klinische Praxis vorsieht. Unter Erweiterung des Methodenspektrums – beispielsweise HPLC- und patch clamp-Techniken, konfokale Laser-Scanning- und Elektronen-Mikroskopie – wurden im Verlauf der vergangenen Jahre 6 Doktoranden in die Bearbeitung der wiss. Zielstellungen einbezogen, von denen sich bereits 2 um eine Anstellung in der Anatomie bemühen. Ferner bestehen Kooperationen mit verschiedenen universitären Einrichtungen wie der Pathophysiologie Halle (PD H.-J. Brömme), Zoologie Halle (Prof. R. Gattermann, PD. R. Weinandy), Pharmakologie Münster (Prof. U. Mußhoff), Anatomie Mainz (Proff. L. Vollrath und S. Reuss), der University Medical School Pécs, Ungarn (Proff. B. Mess und V. Csernus) und dem Department of Medicine, Genf, Schweiz (Prof. C. B. Wollheim). Erwähnung verdient in diesem Zusammenhang die Etablierung eines Endokrinologie-Vortragszyklus, an dem sich bisher Referenten Schwedens, der Schweiz, Ungarns sowie aus den USA und unserem Land beteiligt haben. Insgesamt wurden bereits 27 gut besuchte und von der Ärztekammer Sachsen-Anhalts als Weiterbildungsveranstaltungen anerkannte und zertifizierbare Kolloquien durchgeführt. Besonders wertvolle Beiträge wurden in Form von Übersichtsreferate in den Abhandlungen der Sächsischen Akademie gedruckt. Ein erster Band ist 2003 erschienen, ein zweiter Band wird zur Zeit vorbereitet. Zusammenfassend sei festgestellt, dass der interdisziplinäre Charakter des Akademieprojektes weiter ausgebaut werden soll, wobei Interessenten, die sich chronobiologischen und/oder endokrinologischen Fragestellungen mit diabetologischer Fokussierung verpflichtet fühlen, Gelegenheit zu wissenschaftlicher Kooperation gegeben ist.

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