Dr. rer. nat.Andreas Berke Freie Radikale und Hornhaut · 2011. 11. 18. · Freie Radikale und...

Dr. rer. nat. Andreas Berke

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Freie Radikale und Hornhaut

FachinformationenFreie Radikale und Hornhaut

Reduktion: im engeren Sinne die Entfernung von Sauerstoff aus ei-ner chemischen sauerstoffhaltigen Verbindung. Im weiteren Sinne stelltdie Reduktion die Aufnahme eines Elektrons von Elementen, Ionenoder chemischen Verbindungen. Durch die Reduktion wird die Oxida-tionszahl erniedrigt (Fe(III) –› Fe(II)).Superoxid: ältere Bezeichnung für Peroxide.

1. Chemische und physikalische GrundlagenIn der Chemie werden Molekülgruppe mit einem oder mehreren un-paaren Elektronen als freie Radikale bezeichnet. Von besonderer Be-deutung sind in biologischen Systemen die freien Radikale des Sauer-stoffs und Stickstoffs.Zwei Radikale haben das Bestreben ihre unpaaren Elektronen durchAusbildung einer chemischen Bindung mit einander zu kombinieren.Sie sind auch zur Bindung mit anderen Molekülen in der Lage. DieElektronenpaarung lässt verschiedene Reaktionswege zu. Eine Radi-kalkombination ist eine stabile Bindung zwischen zwei Radikalen. DieReaktionsfreudigkeit freier Radikale lässt sich direkt an der Halb-wertszeit der freien Radikale ablesen. Je kürzer die Halbwertszeit ist,desto reaktionsfreudiger ist das Radikal.

Eine Wasserstoffabstraktion liegt vor, wenn von einem Molekül (z.B.DNA) ein Wasserstoff entfernt wird. Die Anlagerung von freien Radi-kalen an Doppelbindungen, wie sie besonders zahlreich in den freienFettsäuren der Zellmembranen vorliegen, wird als Addition bezeichnet.Schließlich können bei Anwesenheit von Metallionen im Rahmen sogenannter Redox-Reaktionen Elektronen übertragen werden.

Die Hornhaut ist nicht nur ein transparentes Fenster, durchdas Licht ins Auge hineingelangen kann; sie ist auch einSchutzfilter, das den größten Teil der auf das Auge gelan-genden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Ultraviolett gilt alseine der wichtigsten Ursachen für die Entstehung freier Ra-dikale. Im Gegensatz zu den meisten anderen Geweben weistdie Hornhaut ausgesprochen starke tageszeitliche Schwan-kungen der Sauerstoffversorgung auf. Während sie am Tageoptimal ist, fällt die Sauerstoffversorgung während desSchlafs auf niedrige Werte ab. Es ist bekannt, dass starkeSchwankungen des Sauerstoffangebotes ebenfalls die Ent-stehung freier Radikale begünstigen. Die Hornhaut ist denBelastungen der freien Radikale nicht schutzlos ausgeliefert.Die Apoptose des Epithels, ein hoher Gehalt an Superoxid-Dismutase, einem körpereigenen Schutzmolekül gegen freieSauerstoffradikale, die Katalase sowie Ascorbinsäure ge-währleisten unter normalen Bedingungen einen gutenSchutz gegen freie Radikale.Auch der Tränenfilm verfügt mitder Harnsäure, der Aminosäure Tyrosin sowie der Ascorbin-säure und Glutathion über wirksame Antioxidantien.

GlossarDehydrogenase: Enzyme, die die Übertragung von Wasserstoff ka-talysieren.Dismutation: Reaktion, die eine Verbindung mittlerer Oxidationszahlin eine Verbindung mit höherer oder niedrigerer Oxidationszahl überführtNitrierung: Einfügen einer Nitrogruppe (-NO2) in eine organische Ver-bindung.Oxidase: Enzyme, die eine Redox-Reaktion mit molekularem Sauer-stoff als Elektronenakzeptor katalysieren. Früher war Oxidase die Be-zeichnung für Enzyme, die die Oxidation von biologischen Verbindun-gen katalysieren.Oxidation: im engeren Sinne die Aufnahme von Sauerstoff durch che-mische Elemente oder Verbindungen. Im weiteren Sinne bedeutet Oxi-dation die Abgabe von Elektronen von Elementen, Ionen oder Verbin-dungen, sodass sich deren Oxidationszahl erhöht. (Fe(II) –› Fe(III)). Dieabgegebenen Elektronen werden von anderen Substanzen, den Oxi-dationsmitteln oder Oxidantien aufgenommen, die dadurch reduziertwerden. Die Oxidation einer Substanz läuft also immer gleichzeitig mitder Reduktion einer anderen Substanz ab.Peroxid: Verbindungen des als Peroxo-Gruppe (- O–O -) vorliegen-den Sauerstoffs mit Wasserstoff (–› Wasserstoffperoxid), Metallen (–›z.B. Na2O2) oder mit organischen Resten (–› z.B. Lipidperoxidation).Peroxidase: Enzyme, die Substrate unter Verwendung von Wasser-stoffperoxid oxidieren. Das Wasserstoffperoxid wird dadurch zu Was-ser reduziert.Peroxidation:Aufnahme einer Peroxo-Gruppe (-O–O-) in ein Molekül.Redox-Reaktion: Reaktion, bei der eine Substanz oxidiert wird unddie dabei abgegeben Elektronen eine zweite Substanz, die dieseElektronen aufnimmt, reduzieren wird. Es besteht ein Gleichgewichtentsprechend folgenden Reaktionsschemas:Reduktionsmittel –› Oxidationsmittel + Elektronen

6.2f

Abb. 1: Schädigung der DNA durch freie Radikale

Freies Radikal Halbwertszeit (s)Hydroxylradikal (OH• ) 10-9

Singulettsauerstoff 10Stickstoffmonoxid-Radikal(NO•) 7Peroxylradikal (ROO•) 1–10

Tabelle 1: Reaktionsgeschwindigkeit freier Radikale




Durch Autokatalyse kann sich die Zahl der freien Radikale selbständigerhöhen. Dies ist besonders bei Beteiligung von Sauerstoff der Fall. Diefreien Radikale katalysieren dann die Entstehung neuer freier Radikale.Lipidradikale, die aus der Schädigung von Lipiden der Zellmembranenhervorgegangen sind, können ihre eigene Vermehrung katalysieren.Durch freie Radikale hervorgerufene Schäden an der Erbinformationund der Zellmembran sind für den Tod der Zelle verantwortlich. DieseZellschäden sind für die pathologischen Veränderungen von Gewebenund Organen verantwortlich. Das Altern ist wesentlich eine Folge derWirkung freier Radikale auf die Zellen des Körpers.

Nahezu jede Körperzelle ist den Belastungen durch freie Radikale aus-gesetzt. Daher haben sich verschiedene Schutzmechanismen heraus-gebildet, um die schädigenden Wirkungen der freien Radikale zu ver-hindern.Antioxidantien kontrollieren die Konzentration freier Radikale,indem sie entweder mit den freien Radikalen selbst oder deren Vor-stufen (Prooxidantien) reagieren. Die Wirkung der Antioxidantien, zudenen u.a. in der Reihenfolge ihrer Wirksamkeit Vitamin E, Harnsäure,Vitamin C und Glutathion zählen, entspricht denen der freien Radika-le selbst, nur das sie ihre Wirkung nicht gegen biologische Molekülesondern gegen freie Radikale ausüben. So entfernt Vitamin E Wasser-stoffatome von freien Radikalen, Vitamin C kann durch Redox-Reak-tionen Elektronentransporte an den freien Radikalen ablaufen lassen.Weiterhin verfügen Körperzellen auch über Enzyme wie Dismutasen,Peroxidasen oder Katalasen, die entstandene reaktionsfreudige Sau-erstoffradikale zu harmloseren Verbindungen umbauen können.

Freie Radikale sind nicht grundsätzlich schädlich für die Körperzellen.Zahlreiche Stoffwechselreaktionen sind auf die Anwesenheit freier Ra-dikale angewiesen. Sie sind für die Zellen unverzichtbar. Ihre Bildungmuss aber, um Zellschäden bei erhöhten Konzentrationen zu verhüten,einer strengen Kontrolle unterliegen. Als oxidativer Stress wird dasÜberwiegen von freien Radikalen bzw. ihrer Prooxidantien gegenüberden sie abbauenden Antioxidantien bezeichnet.

2. Freie Radikale und vorderes AugeZu den freien Radikalen, die am vorderen Auge von großer Bedeutungsind, zählen aus Stickstoff und Sauerstoff hervorgegangene Radikale.Die folgenden Ausführungen beschränken sich daher auf freie Radikaledes Sauerstoffs und Stickstoffs. Sie entstehen teilweise in physiologi-schen Prozessen sowie unter äußeren Einflüssen.

2.1 Reaktive SauerstoffspeziesVerändert ein Molekül oder ein Atom seine Oxidationszahl, indem esbeispielsweise ein Elektron aufnimmt, so spricht man von einer Dis-mutation. Durch schrittweise Übertragung von vier Elektronen auf einSauerstoffmolekül kann es zur Bildung verschiedener, so genannten re-aktiver Sauerstoff-Spezies (Reactive Oxygene Species = ROS) kommen,die alle über cytotoxische Eigenschaften verfügen.

Abb. 3: Wirkmechanismen der Antioxidantien Tocopherol (Vitamin E) undAscorbinsäure (Vitamin C)

Abb. 2: Schädigung der Lipide durch freie Radikale

Organ ErkrankungZentralnervensystem Alzheimersche Erkrankung

Parkinsonsche ErkrankungSchlaganfallGehirntraumaManisch-depressive Erkrankungen

Magen und Darm Peptisches UlkusAkute PankreatitisMorbus CrohnColitis ulcerosaStrahlenschäden des Darms

Herz-Kreislaufsystem AtheroskleroseArterioskleroseArterielle HypertonieHerzinfarktKardiomyopathie

Auge GlaukomKataraktNetzhautablösungenRetrolentale FibroplasieEntzündungen des Auges

Leber Alkoholbedingte SchädenArzneimittelbedingte SchädenMorbus Wilson

Atemwege ARDSBronchialasthmaLungenemphysemSilikose und Asbestose

Immunsystem Lupus erythematodesRheumatoide Arthritis

Tabelle 2: Erkrankungen, an denen freie Radikale beteiligt sind.




Nimmt ein neutrales Sauerstoffmolekül zunächst ein Elektron auf, soentsteht hierdurch ein Superoxid-Anion O2

-.

O2 + e- –› O2-

Dieses Superoxid-Radikal ist sehr reaktionsfreudig. Ein weiterer Re-duktionsschritt führt dazu, dass ein weiteres Elektron auf das Super-oxid-Anion übertragen wird. Es entsteht dann entsprechend der fol-genden Reaktion

O2- + e- –› O2

2-

ein Peroxid-Anion (O22-), das durch Aufnahme von zwei Protonen leicht

in einer Nebenreaktion zu dem vergleichsweise harmlosen Wasser-stoffperoxid umgewandelt werden kann.Wird nun ein drittes Elektronauf das Peroxid-Anion übertragen, so zerfällt dieses in

O22- + e- –› O2

- + O-.

Lagern sich an O2-zwei Protonen an, so entsteht Wasser. Die Anlage-rung eines Protons an O- liefert das besonders aggressive Hydroxyl-Radikal (OH•). Wird schließlich ein viertes Elektron auf das Hydroxyl-Radikal übertragen, so entsteht, nachdem ein weiteres Protonübertragen wurde, auch aus O- Wasser.Molekularer Sauerstoff ist auf Grund seiner Elektronenkonfiguration,die in zwei ungepaarten Elektronen mit parallelem Spin besteht, we-nig reaktiv. Daher ist der erste Schritt bei der Bildung reaktiver Sauer-stoffspezies, die Bildung des Superoxid-Anions, auf die Zufuhr vonEnergie angewiesen. Die folgenden Reaktionsschritte sind energieun-abhängig und können daher spontan ablaufen. Sie setzen lediglich ei-nen Elektronendonator voraus. In biologischen Systemen liefern Eisen(Fe2+) und Kupfer (Cu+) die erforderlichen Elektronen.

2.2 StickstoffNeben Sauerstoff ist Stickstoff das zweite wichtige Molekül, das Aus-gangssubstanz für die Bildung freier Radikale ist. Über die Bildung desphysiologisch bedeutsamen Stickstoffmonoxids können Peroxynitrit-Radikale mit hohem zellschädigendem Potenzial gebildet werden.

2.2.1 StickstoffmonoxidStickstoffmonoxid (NO), ein sehr kurzlebiges und potenziell toxischesRadikal, spielt eine ambivalente Rolle. Einerseits ist es als intrazellulä-

rer Botenstoff an zahlreichen physiologischen Prozessen im Körper ent-scheidend beteiligt, andererseits kann es Ausgangspunkt für die Bil-dung von Peroxynitrit sein, einem äußerst reaktionsfreudigen und to-xischen Radikal.Stickstoffmonoxid wird aus L-Arginin unter Beteiligung des EnzymsNO-Synthase (NOS) gebildet. Im Körper sind 3 Formen der NO-Syn-thase nachgewiesen. NOS-I, die in den Nervenzellen des zentralen undperipheren Nervensystems vorliegt, und NOS-III, das in Endothelzellenvon Blutgefäßen vorkommt, sind immer verfügbar. Sie stellen die kon-stitutiven NO-Synthasen (cNOS) dar (Kim et al., 2002). NOS-I wurdeauch auf den Nervenendigungen der Tränendrüse nachgewiesen, wes-halb davon auszugehen ist, dass NO auch regulierend an der Tränen-produktion beteiligt ist (Ding et al., 2002).NOS-II hingegen wird bei Abwehrreaktionen gegen eingedrungeneKrankheitserreger aktiviert. Diese NO-Synthase wird daher auch alsinduzierbare NO-Synthase (iNOS) bezeichnet. Sie produziert weit grö-ßere Mengen an NO als cNOS. Das durch iNOS produzierte Stickstoff-monoxid entfaltet seine cytotoxische und cytostatische Wirkung abernicht nur gegen Krankheitserreger sondern auch gegen gesunde Zel-len. Stickstoffmonoxid kann in der Hornhaut eine Nekrose der Zellendurch Schädigungen des Zellkerns und Schwellung der Mitochondrienhervorrufen.Die konstitutiven NO-Synthasen sind bei einer gesunden Hornhaut nurin geringen Mengen nachweisbar. NOS-II ist hier gar nicht nachweis-bar (Kim et al., 2002).Alle drei Formen der NOS sind aber bei Entzün-dungen oder Verletzungen der Hornhaut, allergischen Reaktionen derBindehaut sowie Entzündungen der Uvea nachweisbar. In den Kerato-zyten des Stromas wird, nachdem diese durch Zytokine (IL-1�, TNF-�,LPS) stimuliert worden sind, NOS-II gebildet (Dighiero et al., 1999). Ei-ne weitere Quelle für Stickstoffmonoxid können die im Zuge von Ent-zündungsreaktionen in die Hornhaut eingewanderten Immunzellenwie Monozyten und Neutrophile sein. Besonders beim Keratoconuswurden größere Konzentrationen der induzierbaren NO-Synthasenachgewiesen. (Brown et al., 2004; Buddi et al., 2002).

2.2.2 PeroxynitritStickstoffmonoxid, das in der Hornhaut gebildet wird, geht mit Super-oxid-Anionen eine Verbindung ein. Es entsteht Peroxynitrit

O2- + NO –› ONOO-.

Abb. 4: Reaktionskette, die zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies führt. Lediglichder erste Schritt dieser Kette, die Bildung des Superoxid-Anions bedarf der Zufuhr von Energie. Alle anderen Reaktionen laufen spontan ab. Die übertragenenElektronen stammen von Metallionen.

Abb. 5: Reaktionswege zur Bildung freier Radikale und ihrer IndikatormoleküleMalondialdehyd und 3-Nitrotyrosin. iNOS: induzierbare NO-Synthase, cNOS: kon-stitutive NO-Synthase




Die Umwandlung der reaktiven, instabilen Radikale Superoxid-Anio-nen und Stickstoffmonoxid erfolgt rund dreimal schneller als die Um-wandlung von O2

- zu Wasserstoffperoxid durch das SchutzmolekülSuperoxid-Dismutase. Durch diese schnelle Umwandlung des Stick-stoffmonoxids können die physiologischen Wirkungen von Stickstoff-monoxid stark gehemmt werden.Peroxynitrit ist in der Lage, Zellmembranen zu durchdringen. Beim Zer-fall von Peroxynitrit sind verschiedene Oxidations- und Nitrierungsre-aktionen möglich. Die bedeutsamste Reaktion ist die Umwandlung derAminosäure Tyrosin zu 3-Nitrotyrosin. Diese Substanz gilt als Markerdafür, dass in der Zelle Peroxynitrit vorgelegen haben muss.Peroxynitrit kann Schädigungen der DNA und RNA hervorrufen. Sowerden die in der DNA enthaltenen Basen Adenin und Guanin unterBeteiligung von Peroxynitrit zu NitroAdenin und Nitroguanin umge-wandelt. Die Folge dieser Veränderungen können Strangbrüche undMutationen der DNA sein.Proteine werden durch Nitrierung der Aminosäure Tyrosin geschädigt.Strukturproteine wie beispielsweise die Kollagene des Hornhautstro-mas gelten ebenso wie die DNA als wichtige Angriffsstrukturen des Pe-roxynitrits. Die Polymerstruktur dieser Proteine wird durch die Nitrie-rung so verändert, dass das Kollagen leichter durch aktivierteProteasen geschädigt werden kann.Auch ein niedriger Gehalt an Peroxynitrit kann, wenn er lange genugvorliegt, die Apoptose auslösen. Hierdurch bedingt kommt es zu einemvorzeitigen Verlust von Zellen der Hornhaut.

3. Entstehung freier RadikaleDie Bildung von Superoxid kann durch verschiedene Prozesse gestei-gert werden. Die Reperfusion nach Phasen von Sauerstoffmangel, diePhagozytose durch Makrophagen, zur Abwehr eingedrungener Krank-heitserreger, Entzündungsreaktionen oder UV-Strahlung seien alsmögliche Auslöser der Bildung von Superoxid hier angeführt.

3.1 UV-StrahlungEin Superoxid-Anion kann unter dem Einfluss von UV-Strahlung durchÜbertragung eines Elektrons auf molekularen Sauerstoff gewonnenwerden. In der Hornhaut wirken verschiedene Aminosäuren (Trypto-phan, Histidin, Cystein, Methionin) sowie das am Wasserstofftransportin der Zelle beteiligte Riboflavin, ein Bestandteil des Vitamin B2 Kom-plexes, fotosensibilisierend. Diese Substanzen absorbieren optischeStrahlung und zwar bevorzugt Ultraviolett. Hierdurch werden sie in ei-nen angeregten Zustand überführt. Beim Übergang in den Grundzu-stand wird die dabei freiwerdende Energie dazu benutzt, ein Elektronauf Sauerstoff zu übertragen. Es entsteht dabei ein Superoxid-Anion.Durch UVB kann auch die Xanthinoxidase stimuliert werden, sodassdurch katalytische Wirkung ebenfalls vermehrt Superoxid-Anionen ge-bildet werden (siehe 3.5.2).

3.2 StoffwechselprozesseSauerstoff ist eines der aggressivsten chemischen Elemente in derNatur. Der Zelle gelingt es die toxischen Wirkungen des Sauerstoffsdadurch zu umgehen, dass bei der Zellatmung Sauerstoff durch Über-tragen von Protonen zu Wasser reduziert wird. Als positive Nebenwir-kung wird dabei Energie in Form von ATP gewonnen. Nur rund 2% desin die Zelle aufgenommenen Sauerstoffs werden nicht zu Wasser re-duziert, sondern gelangen überwiegend als Superoxid-Anion in denOrganismus. Die so entstandenen freien Sauerstoff-Radikale werdenfür die katalytische Wirkung verschiedener Enzyme erforderlich.

Weiterhin sind im Organismus andere physiologische Quellen freier Ra-dikale vorhanden.

Reaktive Sauerstoff-Spezies werden auch ständig durch Reaktion vonSauerstoff mit dem in allen Zellen vorhandenen FMN (Flavinmononu-cleid) und FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotid) gebildet. Beide Substan-zen, die an zahlreichen Stoffwechselreaktionen im Körper, darunterauch in der Atmungskette (Zellatmung) als Co-Faktoren beteiligt sind,können bei ihrer Reduktion zwei Protonen und zwei Elektronen auf-nehmen und an andere Moleküle übertragen.Eine Steigerung des Zellstoffwechsels, wie sie beispielsweise bei derSchilddrüsenüberfunktion unter dem Einfluss des Schilddrüsenhor-mons Thyroxin möglich ist, geht in der Regel mit einem Mangel desSchutzmoleküls Glutathion (siehe 5.3) her. Es kommt daher zu einerAnreicherung von Wasserstoffperoxid.

3.3 Metabolic BurstDie Phagozytose ist ein wichtiger Baustein in der unspezifischen Im-munabwehr des äußeren Auges. Makrophagen (Monozyten, PMN-Zellen) können eingedrungene Mikroorganismen und Fremdkörper insich aufnehmen und anschließend zerstören. Beim geschlossenen Au-ge wandern PMN-Zellen nach wenigen Stunden in den Tränenfilm ein.Ihre Aufgabe ist es, die Zahl der unter den Lidern eingeschlossenenBakterien auf ein niedriges Niveau herabzusenken, sodass die Horn-haut während des Schlafs trotz fehlenden Lidschlags keinem erhöhtenInfektionsrisiko ausgesetzt ist. Bei Infektionen und Entzündungen vonBindehaut und Hornhaut wandern vermehrt Entzündungszellen ein,die ebenso wie die PMN-Zellen in der Lage sind, freie Sauerstoffradi-kale zu bilden. Diese Sauerstoffradikale beseitigen nicht nur einge-drungene Krankheitserreger; sie können auch die Augenoberflächeschädigen.Tritt ein Makrophage mit einer Bakterienzelle in Kontakt, so kommt eszu Veränderungen der Zellmembran der Makrophagen. Die Folge istein deutlicher Anstieg der Stoffwechselaktivität dieser Zellen verbun-den mit einem drastischen Anstieg der Sauerstoffaufnahme durch dieZelle. Der Sauerstoff wird aber nun nicht primär zur aeroben Energie-gewinnung herangezogen sondern zur Bildung von Superoxid-Anio-nen und Wasserstoffperoxid. Dieses Phänomen ist als «MetabolicBurst» bekannt. Beteiligt an diesen Reaktionen sind die Elektronen-überträger NADH und NADPH. Makrophagen verfügen über das En-zym NADH-Oxidase, das die Bildung von Superoxid-Anionen stimuliert.

Abb. 6: Elektronentransportkette in der inneren Membran der Mitochondrien. AmEnde der Reaktionsschritte (Zellatmung) steht die Bildung von Wasser. Rund 98% des Sauerstoffs der Zelle werden auf diesem Wege zu Wasser reduziert. 2%des Sauerstoffs werden zu reaktiven Sauerstoffspezies umgewandelt.




3.4 Eisen und reaktive Sauerstoff-SpeziesDie Bildung reaktiver Sauerstoff-Spezies wird durch Eisen-Ionen be-einflusst. Hier ist die Fenton-Reaktion, bei der aus dem vergleichsweiseharmlosen Wasserstoffperoxid das hochreaktive Hydroxyl-Radikal OH•

entsteht,

Fe2+ + H2O2 –› Fe3+ + OH• + OH-

zu nennen. Dreiwertiges Eisen wird schließlich über die Haber-Weiß-Reaktion unter Einsatz eines Superoxid-Anions

Fe3+ + O2- –› Fe2+ + O2

zurückgewonnen. Das an der Fenton-Reaktion beteiligte Wasserstoff-peroxid kann aus dem Superoxid-Anion durch weitere Aufnahme vonElektronen entstanden sein, es kann aber auch über eine Kontaktlin-se, die sich in einer Wasserstoffperoxid-Lösung befunden hat und nichtausreichend neutralisiert wurde, an das Auge gelangen.Durch Bindung von Eisen an eisenbindende Moleküle wie Laktoferrinund Transferrin kann die durch Eisen vermittelte Bildung des äußerstaggressiven freien Hydroxyl-Radikals eingeschränkt werden.

3.5 SauerstoffmangelSauerstoffmangel gilt als einer der wesentlichen Stressfaktoren, der zurBildung von Superoxid-Anionen führen kann. Unter diesem Gesichts-punkt gilt auch die Kontaktlinse als ein möglicher Auslöser von oxida-tivem Stress an der Augenoberfläche. Ein Stressfaktor ist sicherlichauch die Tatsache, dass die Sauerstoffversorgung des vorderen Augesdeutlichen tageszeitlichen Veränderungen unterworfen ist. Bei ge-schlossenem Auge erhält die Hornhaut nur ein Drittel der Sauerstoff-menge, die diese bei geöffneten Lidern erhält.

3.5.1 Nichtenzymatische Bildung von Superoxid-AnionenDie aerobe Energiegewinnung, bei der ATP in der Zelle durch Reduk-tion von Sauerstoff zu Wasser gewonnen wird, basiert auf einer Ab-folge von verschiedenen Elektronen- und Protonentransportmolekü-len. In mehreren Schritten werden so Elektronen und Protonen aufSauerstoff übertragen. Die Elektronentransportkette besteht aus dreiin der Innenwand der Mitochondrien gebundenen Proteinkomplexen(Komplex I, III und IV) und zwei frei beweglichen Transportmolekülen,dem Ubichinon (Coenzym Q) und Cytochrom c.Bei sehr niedrigen Sauerstoffkonzentrationen wird der Elektronen-transport am Komplex IV gestoppt. Es gelangen aber stetig Elektronenin die Transportkette. Diese Elektronen werden am Komplex III auf Sau-erstoff übertragen, sodass hier Superoxid-Anionen entstehen. DieserEntstehungsweg für Superoxid ist auch noch bei niedrigen Konzentra-tionen von 10-6 M möglich.

Dieser Bildungsweg des Superoxids tritt in sehr vielen Zellen des Kör-pers auf. Das hierbei entstandene Superoxid dient der Stabilisierung ei-nes bei Sauerstoffmangel gebildeten Schutzmoleküls (Hyperoxia-in-ducible Factor-1a), das die Sauerstoffaufnahme und -verteilung imKörper verbessert. U.a. ist dieses Molekül an der Neubildung von Blut-gefäßen beteiligt.

3.5.2 Enzymatische Bildung von Superoxid-AnionenIm Körper sind sechs verschiedene Oxidasen, die zur Bildung von Was-serstoffperoxid beitragen, nachgewiesen. In der Hornhaut und demvorderen Auge wurden insgesamt sechs verschiedene Oxidasen nach-gewiesen. Besonders intensiv erforscht ist die Wirkung der Xanthino-xidase. Das Enzym liegt in zwei Varianten vor, nämlich als Xanthinde-hydrogenase und als Xanthinoxidase. Die Xanthindehydrogenasekatalysiert den Abbau von Purinen (Adenin, Guanin) über Hypoxant-hin und Xanthin zu Harnsäure. Harnsäure selbst ist ein sehr wirksamesAntioxidantie.Ebenso kritisch wie der Sauerstoffmangel selbst ist die Phase, wennsich die Sauerstoffversorgung wieder normalisiert. In Phasen von Sau-erstoffmangel wird die Xanthindehydrogenase durch Oxidierung vonSH-Gruppen oder Proteolyse zur Xanthinoxidase umgewandelt. DieXanthinoxidase hat als Substrat Hypoxanthin und als Reduktionsäqui-valent Sauerstoff. Liegt wieder ausreichend Sauerstoff vor, so kann dienun vorliegende Xanthinoxidase entsprechend der folgenden Reaktion

Hypoxanthin + O2 – Xanthinoxidase –› Xanthin + O2-

die Entstehung von Superoxid-Anionen katalysieren.Im Tierexperiment konnte gezeigt werden, das lange währendes Tra-gen von Kontaktlinsen und die damit verbundene Hypoxie die Bildungvon Xanthinoxidase begünstigen. Nach dem Absetzen der Kontaktlin-se und der damit verbundenen Verbesserung der Sauerstoffversorgungder Hornhaut kam es zu einer gesteigerten Bildung von reaktiven Sau-erstoffspezies durch eine gesteigerte Aktivität der Xanthinoxidase.Gleichzeitig war jedoch die Aktivität der Katalase, die das aus demSuperoxid-Anion gebildete Wasserstoffperoxid neutralisiert, deutlichverringert (Cejkova et al., 1998). Hierdurch bedingt kann es wiederumüber die Fenton-Reaktion zu einer Anreicherung freier Hydroxyl-Radi-kale kommen.

Abb. 7: Schema der Elektronenübertragung bei der Zellatmung. Sauerstoffmangelführt dazu, dass der Elektronentransport von Komplex III auf Komplex IV der At-mungskette unterbrochen ist. Die aufgelaufenen Elektronen werden auf Sauerstoffübertragen, was zur Bildung von Superoxid-Anionen führt.




PMN-Zellen, die beim Schlaf in den Tränenfilm einwandern und auchim Mittelpunkt von Abwehrreaktionen im Stroma der Hornhaut stehen,verfügen über Xanthinoxidasen mit hoher Aktivität. Ein großer Teil derbei bakteriellen Entzündungen der Hornhaut zu beobachtenden Ge-webeschäden dürfte auf überschießende Reaktionen der PMN-Zellenund nicht die direkte Wirkung der Bakterien zurückzuführen sein.

3.6 FluoreszeinFluoreszein, das sogar intravenös verabreicht werden kann, gilt gene-rell als harmlos. Dennoch kann es in seltenen Fällen zu toxischen Re-aktionen Anlass geben. Hierbei handelt es sich in der Regel um foto-toxische Reaktionen. Fluoreszein geht nach der Absorption vonoptischer Strahlung in einen angeregten Zustand, den so genanntenTriplett-Zustand über. Nun wird die Anregegungsenergie vom Fluores-zein auf ein Sauerstoff-Molekül übertragen, das dadurch ebenfalls ineinen angeregten Triplett-Zustand übergeht. Die Anregungsenergiedes Fluoreszeins kann auch dazu benutzt werden, um ein Superoxid-Anion zu bilden.

3F + O2 –› S+ + O2-,

wobei 3F der angeregte Zustand des Fluoreszein und S sein Grund-zustand ist.

3.7 KataraktoperationenFreie Radikale spielen eine wichtige Rolle bei postoperativen Kompli-kationen nach Phakoemulsifikation im Rahmen von Kataraktopera-tion. Offensichtlich sind mechanische Verletzungen des Hornhaute-ndothels durch den bei der Zertrümmerung der Augenlinse eingesetztenUltraschall die Ursache für die Entstehung freier Radikale. Die Kon-zentration freier Radikale während der Phakoemulsifikation kann, wie

Versuche an Kaninchen zeigten, durch vorheriges Einfüllen von Hyalu-ronsäure in die Vorderkammer um bis zu 60 % reduziert werden.Auchdie Zahl der verloren gegangenen Endothelzellen wird um rund 60 %vermindert (Camillieri et all, 2004).

4. LipidperoxidationDie Peroxidation von Lipiden ist eine der wichtigsten Schädigungen,die von reaktiven Sauerstoffspezies hervorgerufen werden kann. Esgibt eine Tendenz in der Fachliteratur, Lipidoxidation mit oxidativemStress gleichzusetzen (Ivanova und Ivanov, 2000). Es ist das freieHydroxyl-Radikal (OH•), das Auslöser der Lipidperoxidation ist. Die Li-pidperoxidation erfolgt in mehreren Schritten. Diese sind Initiation,Fragmentation, Propagation und Termination.Besonders anfällig für die Lipidperoxidation sind Lipide mit ungesät-tigten Fettsäuren, die über Kohlenstoffdoppelbindungen verfügen. DieInitiation beginnt mit der Entfernung eines Wasserstoffatoms von ei-nem Lipid. Am Ende der Initiation steht die Bildung eines Lipidhy-droperoxids (LHOOH). Die Schritte der Initiation sind

LH2 + OH• –› H2O + LH•

LH• + O2 –› LHOO•

LHOO• + LH2 –› LHOOH + LH•

Hierbei ist LH2 das Lipid, LH• ein Lipidradikal und LHOO• ein Peroxyra-dikal. Das Lipidhydroperoxid zerfällt in kleinere Bestandteile.

LHOOH –› LHO• + OH•

LHO• stellt ein Alkoxy-Radikal dar. In dieser als Fragmentation der Li-pide bezeichneten Phase der Lipidperoxidation entstehen u.a. Malon-dialdehyd, das als Indikatormolekül für die Lipidperoxidation gilt, unddas äußerst aggressive 4-Hydroxy-2-Nonenal.Die Lipidperoxidation ist durch die Fähigkeit zur Autokatalyse ge-kennzeichnet. Bei Anwesenheit von Metallionen können sich stetigneue Lipidhydroxyperoxide bilden. Hierdurch kann sich die Lipidpero-xidation weiter ausbreiten (Propagation).

LHOOH + Fe2+ –› LHO• + OH- + Fe3+

LHO• + LH2 –› LHOH + LH•

LH• + O2 –› LHOO•

LHOO• + LH2 –› LHOOH + LH•

Die Folge von Autokatalyse und Propagation ist, dass auch geringfü-gige vorhandene Mengen an freien Hydroxyl-Radikalen zu großenSchäden führen können. Die Lipidperoxidation findet ein Ende (Termi-nation), wenn freie Radikale eine feste Bindung eingehen oder Radi-kalfänger, die Reaktionen beenden.

Abb. 8: Xanthinoxidase im Epithel (links) und Endothel (rechts) der Hornhaut. (mitfreundlicher Genehmigung J. Cjekova)




5. AbwehrmechanismenDie Hornhaut ist auf Grund ihres Absorptionsvermögens im Ultravio-letten einem hohen Risiko ausgesetzt, durch UV-induzierte freie Radi-kale geschädigt zu werden. Daher verfügt sie über verschiedene Ab-wehrmechanismen, die sie vor der schädigenden Wirkung des UV undneu gebildeter freier Radikale schützen soll. Auch der Tränenfilm ent-hält zahlreiche Antioxidantien wie beispielsweise Harnsäure, Ascor-binsäure, Tyrosin oder Glutathion sowie die Superoxid-Dismutase(ZnCu-SOD).

5.1 Aldehyd-Dehydrogenase 3A1ALDH3A1, ein Isoenzym der Aldehyd-Dehydrogenase macht bis 40 %der wasserlöslichen Proteine in der Hornhaut aus (Pappa et al., 2003).Dieses Enzym absorbiert direkt UV-Strahlung. Es ist darüber hinaus inder Lage cytotoxische Aldehyde, wie beispielsweise das durch Lipid-peroxidation entstandene Malondialdehyd zu beseitigen. Weiterhinkann ALDH3A1 auch die durch 4-HNE induzierte Apoptose von Zellendes Endothels unterdrücken. 4-HNE (4-Hydroxy-2-Nonenal) ist das amweitesten verbreitete Aldehyd, das bei Lipidperoxidation entsteht. Esverfügt zudem über das größte toxische Potenzial.Es konnte gezeigt werden, dass eine defekte Variante dieses Enzyms,bei der vier Aminosäuren ausgetauscht wurden, die Hornhaut be-sonders anfällig gegenüber UV-Schäden macht (Downes et al., 1993;Shiao et al., 1999; Pappa et al., 2001)

5.2 Superoxid-DismutaseDie reaktive Sauerstoffspezies mit dem höchsten zellschädigenden Po-tenzial ist das freie Hydroxyl-Radikal (OH•), das am Anfang der Lipid-peroxidation zum tragen kommt. Da diese Reaktionen enzymatisch

schwer zu kontrollieren sind, erfolgt die Kontrolle der OH•-Konzentra-tion am ersten Schritt der Reaktionskette, die zur Bildung des freienHydroxyl-Radikals steht. Dies sind die Bildung des Superoxid-Anionsund seine Beseitigung durch die Superoxid-Dismutase.Die Hornhaut verfügt über drei verschiedene Superoxid-Dismutasen,von denen zwei intrazellulär und eine extrazellulär vorkommt. Eine derintrazellulären Superoxid-Dismutase enthält Kupfer und Zink. Sie istaus 302 Aminosäuren aufgebaut und besteht aus zwei gleichen Unter-einheiten mit einem Molekulargewicht von je 16 kDa. Eine Mangan-abhängige Superoxid-Dismutase findet man in den Mitochondrien derHornhautzellen.Völlig anders als die beiden intrazellulären Superoxid-Dismutasen ist die extrazelluläre Superoxid-Dismutase. Mit einem Mo-lekulargewicht von 138.000 Da ist sie mehr als viermal so groß wie dieintrazellulären Superoxid-Dismutasen. Die extrazelluläre Superoxid-Dismutase hat eine hohe Affinität zu Kohlenhydraten. Man findet siedaher häufig gebunden an Proteoglykanen im Bindegewebe, auf Ba-salmembranen und auf Zelloberflächen.Die Aufgabe der Superoxid-Dismutase besteht in der Dismutation vonSuperoxid-Anionen. Bei dieser Reaktion wird das Superoxid-Anion un-ter Aufnahme eines weiteren Elektrons entsprechend des folgendenReaktionsschemas

O2- + e- + 2H+ –› H2O2

zu Wasserstoffperoxid oxidiert. Das neu entstandene Wasserstoff-peroxid, das aber weniger reaktionsfreudig ist, als das Superoxid-Anion, muss unter Einsatz von Katalasen zu Wasser abgebaut werden.

5.3 Katalasen Katalasen sind weit verbreitete Enzyme, die Wasserstoffperoxid in Was-ser und Sauerstoff zerlegen.

2H2O2 –› 2 H2O + O2

Sie zählen zu den schnellsten Enzymen der Natur. Gegenüber einernichtkatalysierten Reaktion steigert Katalase den Abbau von Wasser-stoffperoxid um das mehr als Milliardenfache. Pro Sekunde vermag eineinziges Katalase-Molekül rund 108 Wasserstoffperoxid-Moleküle zuzersetzen. Die im Hornhautepithel vorhandene Katalase vermag Was-serstoffperoxid-Konzentrationen von bis zu 50 ppm zu beseitigen. ImStroma hingegen sind keine Katalasen nachgewiesen worden. Die Ka-talase kann durch äußere Faktoren wie beispielsweise das im Tabak-rauch enthaltene Cyanid gehemmt werden.

5.4 Glutathion (Glutathion-SH, GSH)Glutathion ist ein Tripeptid bestehend aus den Aminosäuren Glutamin,Cystein und Glycin. Es kann durch eine reversible Oxidation in das Di-sulfid GSSG übergehen. Peroxide und freie Radikale werden durch dieSelenhaltige Glutathionperoxidase, deren Co-Faktor GSH ist, reduziert.Das Enzym katalysiert die Umwandlung von Wasserstoffperoxid zuWasser. Bei dieser Reaktion wird GSH in die oxidierte Form GSSG über-führt. Das oxidierte GSSG wird durch das Enzym Glutathionreduktasewieder in die reduzierte Form GSH überführt.

Abb. 9: Lipidperoxidation. a: Initiation: Ein freies Radikal (X•)entfernt einen Wasserstoff von der freien Fett-

säure des Lipids. b: Einbau von Sauerstoff in das Lipid. Es entsteht ein Peroxyl-Radikalc: Strukturveränderung des Lipids. Der hydrophile Teil des Moleküls verlagert sich

an die Grenzfläche zum äußeren wässrigen Milieu. In einem nächsten Schrittzerfällt das Lipid

Substanz Tränenfilm BlutVitamin A 16 ng/ml 883 ng/ml

Ascorbinsäure 117 µg/ml 7–20 µg/mlTyrosin 45 µM 77 µM

Glutathion 107 M ?CuZn-SOD 103 ng/mg Protein ?

Tabelle 3: Antioxidantien im Tränenfilm (nach Tsubota, 2002)




Glutathion liegt sowohl im Kammerwasser als auch dem Endothel undEpithel der Hornhaut vor. Auch im Tränenfilm wurde Glutathion nach-gewiesen. Das Verhältnis von reduziertem und oxidiertem Glutathionscheint für die Funktionsfähigkeit des Hornhautendothels von großerBedeutung sein. Eine experimentelle Oxidation von Glutathion durchDiamide führt zu einem Zusammenbruch der Barrierenfunktion desEndothels (siehe Abb. 12). Offensichtlich schützt Glutathion das End-othel vor freien Radikalen und unterstützt dadurch sowohl die Pump-als auch Barrierenfunktion des Endothels (Edelhauser und Ubels,2003). In Spüllösungen (Glutathion-Bicarbonate-Ringer´s SolutionGBR) für intraokuläre Eingriffe wird Glutathion in Konzentrationen von0,3 mmol / l eingesetzt. Dies entspricht dem 150fachen der Konzen-tration von Glutathion im Kammerwasser. Selbst eine nur 30-minüti-

ge Spülung des Endothels mit einer Glutathionfreien Lösung führt zueinem Polymegathismus und Polymorphismus der Endothelzellen(Edelhauser und Ubels, 2003).

5.5 AscorbinsäureAscorbinsäure oder Vitamin C ist ein wasserlösliches Vitamin, das be-sonders im wässrigen Milieu als Schutzmolekül eine große Rolle spielt.Im Auge liegt es in Konzentrationen vor, die die des Blutes um ein Viel-faches übersteigen. Im Tränenfilm tragen Ascorbinsäure und Harnsäu-re zu mehr als 50% zur antioxidativen Wirkung des Tränenfilms bei.(Eine weitere wichtige Antioxidantie des Tränenfilms ist die AminosäureTyrosin.) Vermutlich stammt die Ascorbinsäure des Tränenfilms aus derTränendrüse.Die Hornhaut enthält große Mengen an Ascorbinsäure. Die höchsteAscorbinsäure-Konzentration liegt hier mit 1,56 mg/g im zentralenHornhautepithel vor (Cejkova et al., 2004). In der Peripherie sind esimmer noch 1,39 mg/g. Hornhautstroma und Descemetsche Mem-bran weisen mit 0,22 mg/g einen nahezu gleich hohen Gehalt anAscorbinsäure auf wie das Kammerwasser (0,21 mg/g). Sklera undBindehaut haben wesentlich niedrigere Ascorbinsäure-Konzentratio-nen. Dass das zentrale Hornhautepithel im Bereich der Pupillenöffnungdie höchste Konzentration an Ascorbinsäure aufweist, deutet auf einebesondere Schutzfunktion der Ascorbinsäure hin. Es dient hier als UV-Filter, das die tieferen Hornhautschichten schützen soll.

Neben seiner Funktion als UV-Filter wirkt Ascorbinsäure auch als anti-oxidative Substanz. Es kann durch Aufnahme bzw.Abgabe von Proto-nen zwischen dem reduzierten Zustand (Ascorbinsäure) und oxidiertenZustand (Dehydroascorbinsäure) wechseln. In hohen Konzentrationenkann Ascorbinsäure, wenn Metallionen vorliegen als Prooxidantie auf-treten. Es begünstigt die Entstehung von Wasserstoffperoxid, Hydro-xyl-Radikalen und anderer reaktiver Radikale.

5.6 Eisenbindende ProteineEisen spielt eine nicht unerhebliche Rolle bei der Bildung äußerst re-aktiver freier Hydroxyl-Radikale. Im Tränenfilm sind erhebliche Mengenan Laktoferrin enthalten. Laktoferrin ist ein eisenbindendes Protein.Hierdurch wird im Tränenfilm die Vermehrung von Bakterien, die für dieNeusynthese ihrer DNA auf Eisen angewiesen sind, erschwert. Zugleichwird aber auch die Umwandlung von Wasserstoffperoxid zu einemfreien Hydroxyl-Radikal (Fenton-Reaktion) eingeschränkt.

6. Erkrankungen der Hornhaut und freie RadikaleDass freie Radikale an zahlreichen Erkrankungen maßgeblich beteiligtsind, ist schon lange bekannt. Es mehren sich nun aber auch die Hin-weise, dass freie Radikale bei einigen pathologischen Veränderungender Hornhaut mitbeteiligt sind. Besonders für den Keratoconus gibt eskonkrete Befunde, die auf einen Einfluss von freien Radikalen hindeu-ten.

Abb. 13: Ascorbinsäure

Abb. 12: Endothelzellen des Hornhautepithels nach Oxidierung des Glutathions.Glutathion ist für die Funktionsfähigkeit des Hornhautendothels von großer Bedeutung, da es die Wasserpumpen des Endothels vor den schädigenden Einflüs-sen freier Radikale schützt.

Abb. 11: Erneuerung des GSH aus GSSG. Beim Übergang von GSH zu GSSG wirdWasserstoffperoxid zu Wasser umgebaut.

Abb. 10: Glutathion. Die SH-Gruppe des Moleküls kann mit der SH-Gruppe einesanderen Glutathion-Moleküls eine Schwefel-Doppelbindung eingehen. Es entstehtdann GSSG.




6.1 Ungleichgewicht zwischen Prooxidantien und Antioxi-dantienDie Hornhaut ist allein auf Grund physiologischer Vorgänge bei derEnergiegewinnung ständigen Attacken durch reaktive Sauerstoffspe-zies und aggressiven freien Radikalen wie Peroxynitrit ausgesetzt. Dieintakte Hornhaut verfügt über ausreichende Abwehrmöglichkeiten(Superoxid-Dismutase, GSH), die die Entstehung von freien Radikalenaus Prooxidantien verhindern und bereits entstandene freie Radikalewieder beseitigen können. Neu gebildete reaktive Moleküle werdensofort wieder in den Zellen beseitigt. Bei oxidativem Stress jedoch, wiebeispielsweise während und nach Hypoxie, Entzündungen, erhöhterStoffwechselrate aber auch UVB oder Ozon, kann die Bildungsrate derreaktiven Sauerstoffspezies in den Mitochondrien die antioxidativenKapazitäten der Zelle überschreiten. Auch die Kontaktlinse kann zuStresssituationen der Hornhaut führen, die die Entstehung reaktiverSauerstoffspezies fördern. Die vermehrt gebildeten reaktiven Sauer-stoffspezies, die durch antioxidative Schutzmechanismen nicht besei-tigt werden konnten, verlassen die Zelle. Sie leiten die Lipidperoxida-tion und damit den Untergang der Zelle ein.

6.2 KeratoconusDer Keratoconus ist durch eine starke Verdünnung des Hornhautstro-mas gekennzeichnet. Die Hornhaut ist beim Keratoconus durch eineverminderte Zahl von Keratozyten und Kollagenlamellen im Stroma ge-kennzeichnet. Die Mechanismen, die zu der Verdünnung des Horn-hautstromas führen, sind gesteigerte Aktivitäten verschiedener Prote-asen, eine Hemmung der Protease-Inhibitoren, vermehrte oxidativeSchäden sowie die Apoptose von Zellen der Hornhaut.

Beim Keratoconus wurde im Stroma eine im Vergleich zu unauffälligenHornhäuten um 50% verminderte Konzentration an extrazellulärerSuperoxid-Dismutase gefunden. (Behndig et al., 2001). Die Zellen desEpithels und Stromas bilden offensichtlich beim Keratoconus wenigerdieses wichtigen Schutzmoleküls. Auch nach KeratoconusbedingtenHornhauttransplantationen wurde weniger extrazelluläre Superoxid-Dismutase nachgewiesen. Offensichtlich werden die Zellen des Trans-plantats im Laufe der Zeit durch eingewanderte Zellen vom Limbus ersetzt, die nicht über die Fähigkeit zur Synthese der Superoxid-Dis-mutase verfügen.

Eine gesunde Hornhaut ist stetigen Attacken durch freie Radikale undreaktiven Sauerstoffspezies, die über die Bildung von Peroxynitrit zunachweisbaren Gewebeschäden führen, ausgesetzt. Die Hornhaut ver-fügt aber über ausreichende Kapazitäten, um die Entstehung von Pe-roxynitrit zu verhindern. Beim Keratoconus hingegen scheint die Horn-haut ihre Fähigkeit zur Vermeidung der Bildung von Peroxynitritverloren zu haben.Die Hornhaut verfügt beim Keratoconus über eine vermehrte Ausstat-tung mit NO-Synthasen. Die induzierbare NO-Synthase (iNOS) wurdeim Bereiche der Risse der Bowmanschen Membran nachgewiesen. Beigesunden Hornhäuten hingegen konnte keine iNOS nachgewiesenwerden (Buddi et al., 2002). Dauerhaft aktive NO-Synthase (NOS-Ioder NOS-III) wurde in allen Hornhäuten im Bereich des Epithels undEndothels nachgewiesen.Da das Superoxid-Anion leicht mit Stickstoffmonoxid zu Peroxynitritreagieren kann, sollten beim Keratoconus auch erhöhte Peroxynitrit-Werte nachweisbar sein. Beim Keratoconus konnten speziell in den Be-reichen der Bowmanschen Membran, in denen es zur Rissbildung kam,erhöhte 3-Nitrotyrosin-Werte festgestellt werden (Buddi et al., 2002)3-Nitrotyrosin gilt wie gesehen als Indikatormolekül für die Anwesen-heit von Peroxynitrit. Auch im Epithel konnte durchgängig 3-Nitroty-rosin nachgewiesen werden.Nachdem offensichtlich besonders ein erhöhter Gehalt an Peroxynitritan der Entstehung des Keratoconus nicht unerheblich beteiligt ist, stelltsich die Frage, wie das Peroxynitrit an der Verdünnung der Hornhautmitwirkt. In der Hornhaut sind Matrix-Metalloproteasen (MMP) vor-handen. Hierbei handelt es sich um Enzyme, die in der Lage sind, Mo-leküle der extrazellulären Matrix abzubauen. U.a. werden auch Kolla-genasen und Gelatinasen zu den Matrix-Metalloproteasen gezählt.Damit es zu keinen unkontrollierten Schädigungen des Gewebeskommt, müssen die MMP durch entsprechende hemmende Inhibito-ren gehemmt werden. In der Hornhaut ist dies TIMP (Tissue Inhibitorof Matrix Metalloprotease).TIMP-1 kann zudem die Apoptose von Ke-ratozyten unterdrücken. Beim Keratoconus wurden höhere Konzentra-tion der Matrix-Metalloprotease MMP2, einer Gelatinase, gefunden(Wong et al., 2002) Brown et al. fanden, dass beim Keratoconus Stik-kstoffmonoxid und Peroxynitrit die Aktivität von TIMP-1 hemmen unddadurch die Aktivität von MMP2 steigern. (Brown et al., 2004). Sie fol-gern daher, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen oxidativemStress der Hornhaut und einer Verdünnung des Stromas.

Abb. 14: Keratoconus. Beim Keratoconus konnten erhöhte Konzentrationen vonMalondialdehyd und 3-Nitrotyrosin nachgewiesen werden. Dies deutet auf eine mögliche Beteiligung von freien Radikalen auf die Entstehung des Kerato-conus hin.




Neben erhöhten 3-Nitrotyrosin-Werten lässt sich beim Keratoconusauch Malondialdehyd nachweisen. Dieses Produkt der Lipidperoxida-tion der Zellmembranen ließ sich besonders im Bereich der Risse in derBowmanschen Membran nachweisen (Buddi et al., 2002). Die Alde-hyde hemmen u.a. die Synthese von RNA, DNA und Proteinen.

6.3 Sonstige HornhauterkrankungenNeben dem Keratokonus gilt eine Beteiligung freier Radikale auch beider bullösen Keratopathie und der Fuchsschen Endotheldystrophe alssehr wahrscheinlich. Eine bullöse Keratopathie ist durch ein An-schwellen der Hornhaut mit schmerzhaften Flüssigkeitseinlagerungenim Hornhautepithel, den so genannten Bullae gekennzeichnet. Sie istdie Folge einer exzessiven Quellung der Hornhaut. Bei der bullösen Ke-ratopathie wurde in fibrösen Bereichen des vorderen und hinterenStromas Malondiladehyd, das auf eine Lipidperoxidation zurückzu-führen ist, nachgewiesen (Buddi et al., 2002). Diese korrelieren mit er-niedrigten Mengen an Superoxid-Dismustase. Obgleich iNOS gefundenwurde, war 3-Nitrotyrosin nicht nachweisbar. Dies deutet darauf hin,dass trotz bestehender pathologischer Veränderung der Hornhautnoch ausreichende Schutzmechanismen vorhanden sind, die die An-reicherung von Peroxynitrit verhindern.

Abb. 15: Matrix-Metalloprotease MMP2, deren Aktivität im Hornhautstroma beimKeratoconus erhöht ist.

Abb. 16: Bullöse Keratopathie: Der Pfeil weist auf eine intraepitheliale Basalmem-bran hin. Ein ähnliches Erscheinungsbild kann auch bei der Fingerprint- bzw. Map-Dot-Dystrophie beobachtet werden.

Die Fuchssche Endotheldystrophie tritt 3 und 4. Lebensjahrzehnt erst-malig in Erscheinung und schreitet dann kontinuierlich fort. Im Bereichder Descemetschen Membran kommt es zu Verdickungen (Guttatae).Die Endothelzellen sind bezüglich Größe und Gestalt verändert. Ein Zu-sammenbruch des Endothels führt zu Ödemen von Stroma und Epithel.Häufig ist eine Keratoplatik zusammen mit einer extrakapsulärer Lin-senextraktion erforderlich.Wie bei der bullösen Keratopathie lag auchbei der Fuchsschen Endotheldystrophie iNOS in der Hornhaut vor. Indiesem Fall ging die Anwesenheit von iNOS aber mit der Anreicherungvon 3-Nitrotyrosin einher. Malondialdehyd wurde ebenfalls gefunden.

Zusammenfassung:Die Hornhaut ist stetigen Belastungen durch freie Radikale, wobei in er-ster Linie freie Sauerstoffspezies und das unter Beteiligung von Super-

Abb. 18: Fuchssche Endotheldystrophie. Zu erkennen ist der Verlust des Hornhau-tendothels.

Abb. 17: Bullöse Keratopathie: Im Epithel sind zahlreiche Zysten zu erkennen. DieHohlräume im Stroma sind Präparationsartefakte.




oxid gebildete Peroxynitrit von Bedeutung sind. Unter normalen Bedin-gungen besteht eine ausgewogene Balance zwischen Prooxidantienund Antioxidantien bzw. Schutzfaktoren. Durch Umwelteinflüsse (UV,Ozon, Luftverschmutzung,Kontaktlinsen) oder endogene Faktoren (Ent-zündungen, Infektionen, erhöhte Stoffwechselaktivität, Hypoxie) kanndas Verhältnis zu Ungunsten der Schutzfaktoren verschoben sein. Esbleibt zu diskutieren, ob und gegebenenfalls wie eine Zufuhr von Anti-oxidantien die Situation für die Hornhaut verbessern kann.

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