Christian Jux
Dr. med.
Zell- und molekularbiologische Untersuchungen zum Einfluß von somatotropen Hormonen
(Wachstumshormon, IGF-I) auf die Glukocorticoid (Dexamethason) – induzierte
Wachstumsstörung von Epiphysenfugenchondrozyten
Geboren am 19. 6. 1966 in Lübeck
Reifeprüfung am 3. 7. 1985 in Lübeck
Studiengang der Fachrichtung Medizin vom SS 1987 bis WS 1993/94
Physikum am 14. 3. 1989 an der Universität Göttingen
Klinisches Studium in Göttingen, London, Toronto
Praktisches Jahr in Bremen und Toronto
Staatsexamen am 27.04.1994 an der Universität Göttingen
Promotionsfach: Kinderheilkunde
Doktorvater: Prof. Dr. med. O. Mehls
Eine wesentliche Ursache für Wachstumstörungen als Nebenwirkung einer längerfristigen und
höherdosierten Glukocorticoidmedikation im Kindesalter stellen Alterationen der somatotropen
Hormonachse dar. Dabei bestehen zwischen Glukocorticoiden und somatotropen Hormonen
vielfältige und klinisch relevante Interaktionen, deren genaue Mechanismen auf zellulärer und
molekularbiologischer Ebene des Zielorgans für das Längenwachstum bisher nur unzureichend
verstanden und in vivo nur schwer zu untersuchen sind.
Wir untersuchten daher die Wirkungen und mögliche Wirkmechanismen von somatotropen
Hormonen (GH, IGF-I) und einem Glukocorticoid (Dexamethason) sowie deren Interaktion auf das
Wachstum mit Hilfe des experimentellen Modells primärkultivierter Wachstumsfugen-
chondrozyten der Ratte.
Wir konnten durch dieses Modell zeigen, daß Dexamethason dosisabhängig (10-12 – 10-7 M) sowohl
die basale als auch die GH-, IGF-I- und kostimulierte DNA-Synthese und das Zellwachstum über
Wochen reduziert. Ein IGF-I Antikörper hemmte spezifisch die GH, nicht jedoch eine bFGF
stimulierte Proliferation und verringerte dosisabhängig das Knorpelzell-wachstum.
Dexamethason reduzierte die im Überstand des konditionierten, serumfreien Kulturmediums mittels
eines spezifischen, IGF-Bindungsprotein blockierten RIA gemessene IGF-I-Konzentration,
während GH die lokale IGF-I Synthese unter basalen ebenso wie unter Dexamethason-gehemmten
Bedingungen erhöhte.
Im RNAse protection solution hybridization Assay supprimierte Dexamethason zeitabhängig die
GHRmRNA-Transkriptionsrate. Darüber hinaus konnte anhand von Bindungsstudien eine
dosisabhängige Herabregulation der (basalen) Anzahl somatogener GH-Rezeptoren auf
Proteinebene gezeigt werden.
Im Gegensatz zur [3H]Thymidininkorporation, die durch eine pulstile/ kurzzeitige GH-Gabe
gegenüber dem dauerhaften Applikationsmodus noch gesteigert werden konnte, erwies sich die
kontinuierliche Anwesenheit von GH im Inkubationsmedium wichtig zum Erhalt bzw. zur
maximalen Hochregulation des GH-Rezeptors. Für eine direkte GH-Wirkung sprachen dabei, daß
weder die Zugabe eines IGF-I-Antikörpers, noch IGF-I selbst einen Einfluß auf die GHR-
Expression hatten. Eine Reduktion der homologen GHR-Hochregulation unter Dexamethason
konnte übereinstimmend auf mRNA- und Proteinebene belegt werden.
Während auch in hoher Konzentration kein Effekt von Dexamethason auf die basale Expression des
IGF Typ I-Rezeptors nachzuweisen war, blockierte Dexamethason die homologe Hochregulation
des IGFR vollständig.
Die Ergebnisse der immunzytochemischen Anfärbungen deuteten darauf hin, daß dabei die
Rezeptorregulationen nicht gleichmäßig über alle Zellen der jeweiligen Kulturen hinweg erfolgten.
Vielmehr führten die somatotropen Hormone zu einem Anstieg des Prozentsatzes intensiv
rezeptorpositiv gefärbter Chondrozyten, wohingegen Dexamethason diese Zellfraktion verringerte.
Mittels mikrofluorimetrischer, zeitaufgelöster Messungen der intrazellulären freien/ionisierten
Kalziumionenkonzentration, [Ca2+]i , an einzelnen Wachstumsfugenchondrozyten, konnten wir in
der vorliegenden Arbeit erstmals GH induzierte [Ca2+]i - Signale an Knorpelzellen nachweisen und
näher charakterisieren. Obwohl die durch GH induzierten [Ca2+]i - Signale in den individuellen
Zellen erheblich variierten, ließen sie sich überwiegend als langanhaltende Transienten, die von der
Ruhe-[Ca2+]i auf das 4- bis 12-fache anstiegen und nach 30-60 Minuten auf Ausgangswerte
zurückkehrten, beschreiben.
Die Abhängigkeit dieser Transienten von der extrazellulären Kalziumionenkonzentration und ihre
Blockierbarkeit durch den Kalziumkanalblocker Verapamil wiesen auf einen transmembranären
Kalziumeinstrom über spannungsabhängige L-Typ Kalziumkanäle als ursächlichem Entstehungs-
mechanismus für die GH-abhängigen [Ca2+]i - Signale hin.
Dexamethason beeinflußte im getesteten Konzentrations- (10-12 – 10-7 M) und Zeitbereich (bis zu
einer Stunde) weder die basale [Ca2+]i noch den Verlauf der GH-stimulierten [Ca2+]i - Transienten.-
Proliferationsexperimente mit ansteigenden Kalziumkonzentrationen im Kulturmedium zeigten die
Kalziumabhängigkeit der GH stimulierten DNA-Synthese, während die basale [3H]Thymidin-
inkorporation über einen weiten Bereich der extrazellulären Kalziumionen-konzentration konstant
blieb. Eine Kalziumkanalblockade mit Verapamil ließ die basale und GH stimulierte DNA-Synthese
unbeeinflußt. Die mögliche Interferenz zwischen somatotropen Hormonen und Glukocorticoiden
auf anderen, tiefer gelegenen Stufen der Signaltransduktionskaskade oder Regulationsmechanismen
an gemeinsamen genomischen Angriffspunkten sind Gegenstand fortschreitender
Forschungsaktivitäten.
Zusammengefaßt belegen die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit in Übereinstimmung mit
tierexperimentellen und klinischen Befunden den antagonistischen Effekt von somatotropen
Hormonen (GH, IGF-I) und Glukocorticoiden (Dexamethason) auf Zielzellen des
Längenwachstums. Dabei lassen sich die meisten Ergebnisse sowohl im Sinne einer Hemmung der
basalen und GH stimulierten Zellproliferation durch Dexamethason, aber auch als Kompensation
der Glukocorticoid-induzierten Wachstumshemmung durch GH und IGF-I interpretieren.
Die phänotypisch adäquate Beschreibung dieser Prozesse durch das angewandte In-vitro-Modell
war die Voraussetzung zur Untersuchung der Interaktionsmechanismen auf zellulärer und
molekularer Ebene. Gegenregulatorische Einflüsse von somatotropen Hormonen und
Dexamethason als Glukocorticoid konnten für die DNA-Synthese und Proliferation der
Wachstumsfugenchondrozyten, die lokale Synthese des Wachstumsfaktors IGF-I, die Transkription
von GH-Rezeptor mRNA sowie die Expression von IGF-I- und GH-Rezeptorprotein gezeigt
werden. Die in der Studie beschriebenen Mechanismen könnten ein Beitrag zur weiteren
Aufklärung der Pathogenese des steroidinduzierten Minderwuchses und zur biologischen Rationale
der Wachstumshormontherapie entsprechender Kinder sein.
