Genetische Konsequenzen hyperbaren Sauerstoffs

Mutationen und Schutzmechanismen

Für seine Dissertation „Untersuchungen zur Induktion von Mutationen und antioxidativen Schutzmechanismen in Zellkulturen nach Behandlung mit hyperbarem Sauerstoff“ ist Dr. Andreas Rothfuß mit dem EEMS Young Scientist Award der European Environmental Mutagen Society ausgezeichnet worden. Der mit 2000 Euro dotierte Preis wurde im Rahmen der Jahrestagung der Gesellschaft am 3.9.2002 in Warschau überreicht. Die Arbeit entstand in der Gruppe von Prof. Dr. Günter Speit, Abteilung Humangenetik (Leiter Prof. Dr. Walther Vogel) der Universität Ulm.

In früheren Untersuchungen der Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass eine hyperbare Sauerstoffbehandlung (HBO, Sauerstoffüberdrucktherapie) freiwilliger Probanden unter therapeutischen Bedingungen zur Induktion von DNA-Schäden in peripheren Lymphozyten (weißen Blutkörperchen) führte. Interessanterweise wurde dieser Effekt nur nach der ersten HBO beobachtet, nicht nach weiteren Expositionen, was auf eine Ausbildung antioxidativer Schutzmechanismen hindeutete. Weitere Untersuchungen hatten dann ergeben, dass diese Schutzfunktion möglicherweise durch das Enzym Hämoxygenase-1 (HO-1) vermittelt wird. Die Fragen nach einem denkbaren mutagenen (erbgutverändernden) Potential der ausgelösten DNA-Schäden sowie nach dem Mechanismus des adaptiven Schutzes konnten in Untersuchungen am Menschen nicht beantwortet werden, da die Anwendung höherer Expositionen ethisch nicht vertretbar war und die wiederholte Entnahme größerer Blutmengen ein Problem darstellte. Andreas Rothfuß hat deshalb im Rahmen seiner Dissertation ein In-vitro-Modell an Zellkulturen etabliert, um den Fragen nach der Mutagenität von HBO und dem Mechanismus des antioxidativen Schutzes nachzugehen.

Mit Unterstützung der Sektion Anästhesiologische Pathophysiologie und Verfahrensentwicklung (Leiter Prof. Dr. Peter Radermacher) der Universität Ulm wurden eine für Zellkulturexperimente geeignete Druckkammer eingerichtet und entsprechende Versuchsprotokolle erstellt. Rothfuß konnte zunächst für verschiedene Zelltypen unter verschiedenen Zellkulturbedingungen zeigen, dass nach HBO-Exposition dosisabhängig DNA-Schäden entstehen. Für diese Untersuchungen wurde der Comet-Assay (Einzelzellgelelektrophorese) verwendet, der sich als äußerst sensitiver Test zum Nachweis von oxidativen DNA-Schäden erwiesen hatte. Von besonderem Interesse war dabei der Befund, dass man für eine Induktion von DNA-Schäden in Blutproben ex vivo eine stärkere Exposition benötigt als unter therapeutischen Bedingungen. Ferner ergaben die Untersuchungen, dass in Abhängigkeit von der Exposition nach HBO in entsprechenden Zellkulturen Mutationen induziert wurden. Es fanden sich Chromosomenschäden (auf der Zellebene), hingegen keine Genmutationen (auf der molekularen Ebene). Damit lag ein erster Hinweis auf einen klastogenen (chromosomenbrechenden) Mechanismus der Mutationsentstehung nach HBO-Exposition vor. Als ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist also anzusehen, dass HBO unter ausreichenden Expositionsbedingungen tatsächlich in der Lage ist, Mutationen zu induzieren, wobei es sich hauptsächlich um chromosomale Aberrationen handelt. Der Befund bestätigt zugleich, dass Basenschäden an der DNA, die unter hyperbarem Sauerstoff, aber sehr häufig auch spontan auftreten, effektiv repariert werden.

Der Schutzmechanismus, der bei wiederholter Exposition erkennbar wird, ist nachweisbar maßgeblich Hämoxygenase-1(HO-1)-gestützt. Molekulare Analysen haben gezeigt, dass die Bildung dieses Enzyms nach HBO ansteigt und dieser Anstieg verstärkten Schutz bedeutet. Eine experimentelle Hemmung der Expression des HO-1-Gens führte demgemäss zur Aufhebung des Schutzeffektes. Zellkulturen, die nicht in der Lage waren, nach HBO eine verstärkte Schutzfunktion aufzubauen, konnten durch die Einführung des Gens der Hämoxygenase gegenüber induzierten Sauerstoffschäden geschützt werden. Wirksam ist der Schutzschirm auch gegenüber einer Behandlung der Zellen mit Wasserstoffperoxid, nicht jedoch gegenüber ionisierender Strahlung.

Die Arbeit von Rothfuß ist die erste umfassende Untersuchung zu den genetischen Konsequenzen einer HBO-Exposition. Unter drei Gesichtspunkten sind die Ergebnisse bedeutsam: 

1. Sie erweitern den Kenntnissstand über die Mutagenität von Sauerstoff und über die durch Sauerstoff induzierten antioxidativen Schutzmechanismen erheblich. 
2. Sie haben praktische Bedeutung für die Mutagenitätsprüfung, denn sie zeigen, dass dabei mit Rücksicht auf mögliche adaptive Schutzmechanismen von einer einmaligen hohen Exposition mit Radikalbildnern nicht direkt auf geringere bzw. chronische Expositionen extrapoliert werden kann. 
3. Schließlich sind die Ergebnisse von praktischer Bedeutung für die HBO-Therapie, da sie auf toxische Nebenwirkungen hinweisen, die unter Standardbedingungen auftreten, aber durch ein modifiziertes Verfahren mit stufenweise ansteigender Exposition vermieden werden können.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Speit wurde für ihre Untersuchungen zur HBO bereits im Jahr 2000 mit dem AGA-HBO-AWARD ausgezeichnet.