10 Stofwechsel - von Eckardstein

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NPC1L1 beschreibt einen Steroltransporter der Familie der Niemann-Pick-C1-Proteine. Die Hauptaufgabe des Transporters ist die Aufnahme bzw. Resorption von Cholesterin, Sitosterol und anderen Lipiden aus dem Darmlumen in die Zellen.

Zur Behandlung einer Hypercholesterinämie werden u.a. Hemmer des NPC1L1-Transporters, wie z.B. Ezetimib eingesetzt. Cholesterin kann als Folge nicht mehr aus der Nahrung resorbiert werden, wodurch die Cholesterinkonzentration im Blut sinkt.

In den Kapillaren von Fettgewebe und Muskulatur werden die Triglyzeride der Chylomikronen durch die Lipoproteinlipase (LPL) zu Fettsäuren hydrolysiert

Klinik:
- extreme Hypertriglyzeridämie (> 12 mmol/l)
- rezidivierende Pankreatitiden (Bauchspeicheldrüsenentzündung)
- Hepatosplenomegalie (gleichzeitige Vergrößerung bzw. Schwellung der Leber und der Milz)
- eruptive Xanthome (eine Hautveränderung, die durch eine vermehrte Speicherung von Plasmalipoproteinen in der Haut im Rahmen von Hyperlipoproteinämien entsteht)
Ursache:
- Lipoproteinlipase-Defizienz

Die Defizienz der Lipoproteinlipase oder ihres Aktivators ApoC-II verursacht eine schwere Dyslipidämie, die unter dem Namen Typ-I-Hyperlipidämie oder ChylomikronämieSyndrom bekannt ist. Die massive Hypertriglyceridämie mit Triglyceridkonzentrationen von mehreren 1.000 mg/dL (> 20 mmol/L) ist schon mit bloßem Auge im Blut (milchig rosa) oder im Plasma nach Zentrifugation zu erkennen: Die Chylomikronen schwimmen als weißer Rahm auf (› Abb. 18.10). Die Patienten selbst zeigen eruptive Xanthome am ganzen Körper (verursacht durch lipideinlagernde Makrophagen in der Haut), eine Vergrößerung von Leber und Milz (Hepatosplenomegalie, verursacht durch Lipideinlagerungen in KupfferSternzellen bzw. Milzmakrophagen) sowie schmerzhafte und lebensbedrohende rezidivierende akute Pankreatitiden.

Verantwortlich hierfür ist die Lipoproteinlipase (LPL).

Nach Transzytose durch das Endothel wird sie über Proteoglykane an die luminale Seite des Endothels gebunden. Sowohl die LPL als auch die Proteoglykane des Endothels binden Chylomikronen.

Aktiviert durch ApoC-II, hydrolysiert die LPL die Triglyceride in freie Fettsäuren, Di- und Monoglyceride, welche von den Adipozyten und Myozyten für die Energiespeicherung bzw. -gewinnung genutzt werden (Die Lipolyse wird durch ApoC-III und ApoE inhibiert, indem diese z.B. ApoC-II verdrängen.)

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Synthese und Lipolyse von VLDL

VLDL werden in der Leber produziert. Dort wird das für VLDL und LDL typische ApoB-100 in prinzipiell gleicher Weise mit Triglyceriden, Cholesterylestern, Cholesterin und Phospholipiden zu VLDL zusammengebaut und sezerniert wie zuvor für die Chylomikronen beschrieben. Neben ApoB-100 und den Lipiden ist das mikrosomale Transferprotein (MTP) ein wichtiger limitierender Faktor. Während des vesikulären Transports zur Plasmamembran nehmen die ursprünglich nur ApoB-100haltigen Partikel auch ApoE und ApoC’s auf (› Abb. 18.11). Die VLDL-Synthese wird durch freie Fettsäuren, Glucose oder Alkohol stimuliert.

Im Plasma dienen VLDL ebenso wie Chylomikronen in erster Linie dem Transport von Fettsäuren und damit Energie in Form von Triglyceriden; sie stellen somit den Triglyceridtransport auch im Nüchternzustand sicher. Wie die Chylomikronen erhalten sie in der Zirkulation weitere Apolipoproteine und Cholesterylester von den HDL. Ebenfalls werden die Triglyceride der VLDL durch die Lipoproteinlipase (LPL) in den Kapillaren der Skelett- und Herzmuskulatur sowie des Fettgewebes hydrolysiert. VLDL haben aber eine deutlich längere Halbwertszeit als Chylomikronen, nämlich von einigen Stunden anstatt nur von Minuten (› Abb. 18.11).

ie aus der Lipolyse dann entstehenden VLDL-Remnants
werden als Intermediate-density-Lipoproteine (IDL) bezeichnet. Diese an Triglyceriden verarmten und an Cholesterylestern angereicherten Partikel werden z.T. von den hepatischen Remnant-Rezeptoren eliminiert. In den Lebersinusoiden werden die restlichen Triglyceride durch die hepatische Triacylglycerinlipase (HL) hydrolysiert. Obwohl auf Aminosäureebene sehr eng mit der LPL verwandt, hat die HL im Unterschied zu dieser auch Phospholipaseaktivität. Die aus diesem Hydrolyseschritt entstehenden LDL enthalten nur noch ApoB100 als Apolipoprotein und fast ausschließlich Cholesterylester als Kernlipid (› Abb. 18.11).

VLDL werden in der Leber produziert. Dort wird das für VLDL und LDL typische ApoB-100 in prinzipiell gleicher Weise mit Triglyceriden, Cholesterylestern, Cholesterin und Phospholipiden zu VLDL zusammengebaut und sezerniert wie zuvor für die Chylomikronen beschrieben. Neben ApoB-100 und den Lipiden ist das mikrosomale Transferprotein (MTP) ein wichtiger limitierender Faktor. 

Mit ApoB-100 docken LDL an LDL-Rezeptoren an, die auf den meisten kernhaltigen Körperzellen exprimiert sind, in größter Menge allerdings auf Zellen mit hohem Cholesterinbedarf, nämlich Hepatozyten und steroidhormonproduzierenden Zellen. Beim LDL-Rezeptor handelt es sich um ein großes, aus 839 Aminosäuren bestehendes Protein, das aus mehreren Domänen aufgebaut ist (› Abb. 18.12), die u.a. für die intrazelluläre Prozessierung, die Membranverankerung in definierten Domänen (Clathrin coated pits) und die Ligandenbindung essenziell sind. Neben ApoB-100 ist ApoE der wichtigste Ligand des LDL-Rezeptors, der somit auch IDL und die Core-Remnants von Chylomikronen binden kann. Eine wichtige Eigenschaft der Ligandenbindungsdomäne ist die hohe Dichte negativer Ladungen, welche die Interaktion mit den vielen positiven Ladungen in den Rezeptorbindungsdomänen von ApoB-100 oder ApoE erleichtern. Die zytoplasmatische Domäne enthält essenzielle Erkennungssequenzen für die Endozytose und die Bindung von Adapterproteinen, welche die intrazelluläre Prozessierung und Aktivität des LDL-Rezeptors regulieren.

Nach Bindung von LDL an den Rezeptor buchten sich die Clathrin coated pits mitsamt LDL-Rezeptoren und LDL ein und trennen sich als Vesikel von der Plasmamembran ab. Im weiteren Verlauf der Endozytose fusionieren die Vesikel mit frühen Endosomen. In den neu geformten Endosomen werden LDL und LDL-Rezeptoren getrennt:

• Abhängig vom Bedarf an weiterem Cholesterin werden die LDL-Rezeptoren „rezykliert“, indem sie zusammen mit ggf. neu synthetisierten LDL-Rezeptoren zur Zelloberfläche transportiert werden, um dort erneut LDL-Partikel aufzunehmen
• Die LDL selbst gelangen in späte Endosomen und Lysosomen, wo ApoB-100 durch Proteasen und die Lipide durch Phospholipasen, Sphingomyelinase und die saure Cholesterylesterhydrolase (ACEH = saure Lipase) hydrolysiert werden. Das durch ACEH freigesetzte freie Cholesterin wird über die Niemann-Pick-Typ-C-Proteine (NPC) 1 und 2 aus dem Lysosomen freigesetzt und gelangt in das endoplasmatische Retikulum (› Abb. 18.13), wo es vielfältige regulatorische Funktionen ausübt, um die Überladung der Zelle mit Cholesterin zu verhindern

Von der LDL-Rezeptorbindung und der Internalisierung des LDL bis zur Rezyklierung des LDL-Rezeptors an die Zelloberfläche vergehen ca. 10 min, bis zur Cholesterylesterhydrolyse 30 min.

PCSK9 reguliert den LDL-Cholesterinspiegel, indem es den LDL-Rezeptor bindet und mit ihm zusammen von der Leberzelle aufgenommen wird.^[4] PCSK9-gebundene LDL-Rezeptoren werden in diesem Fall abgebaut und nicht erneut an die Zelloberfläche befördert und stehen damit nicht mehr für die LDL-Bindung zur Verfügung. Dadurch steigt der LDL-Cholesterinspiegel im Plasma an.

Ursachen:

• LDL-Rezeptor-Defizienz
• ApoB-Varianten (ApoB3500)
• Gain of function Mutationen in PCSK9Klinik:

Klinik 

• Hypercholesterinämie
• Atherosklerose (KHK)
   Ablagerung von Fett, Thromben, Bindegewebe und Kalk in den Blutgefäßen
• tuberöse Xanthome
  eine Hautveränderung, die durch eine vermehrte Speicherung von Plasmalipoproteinen in der Haut im Rahmen von Hyperlipoproteinämien entsteht
• Arcus corneae
  ein durch Lipid einlagerung bedingter schmaler, vom Hornhautrand (Limbus) abgesetzter Trübungsring der bradytrophen Corneades Auges bezeichnet

Für den LDL-Rezeptor sind gegenwärtig nahezu 1.000 Mutationen bekannt, von denen viele zur familiären Hypercholesterinämie führen. Die Zellen betroffener Patienten können LDL nur eingeschränkt binden und aus dem Plasma eliminieren, sodass erhöhte Plasmakonzentrationen von LDL resultieren. Klinisch relevante Defekte der LDL-Rezeptoren werden in heterozygoter Form bei einem von 500 Kaukasiern gefunden und verursachen – je nach Art des Defekts – unterschiedlich ausgeprägte Erhöhungen der Plasmakonzentrationen von Gesamt- und LDL-Cholesterin (in der Regel > 90. Perzentile). Unbehandelt haben die Patienten ein hohes Risiko einer sich frühzeitig klinisch manifestierenden atherosklerotischen koronaren Herzkrankheit (d.h. oft vor dem 50. Lebensjahr), eines Herzinfarkts oder einer erforderlichen Revaskulierungsmaßnahme. Heute lässt sich die Hypercholesterinämie sehr gut medikamentös durch Hemmer der HMG-CoA-Reduktase (Statine) behandeln, was das Herzinfarktrisiko senkt.

Bei einem von 1 Mio. Menschen sind beide Allele des LDLRezeptor-Gens von funktionell relevanten Mutationen betroffen. In diesem Fall entsteht eine schwere Hypercholesterinämie, die medikamentös nicht behandelbar ist. Ohne regelmäßigen Plasmaaustausch oder extrakorporale LDL-Entfernung (LDL-Apherese) oder Lebertransplantation sterben die Patienten i.d.R. vor dem 20. Lebensjahr an Herzinfarkten.

Die HMG-CoA-Reduktase (3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-Coenzym-A-Reduktase) ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym bei der Cholesterolsynthese, das als Zellmembran-Bestandteil, Speicherlipid und Ausgangstoff für verschiedenste Synthesewege bedeutend ist.

LDL wird in den Lysosomen hydrolysiert und Cholesterin, Fettsäuren und Aminosäurenfreigesetzt. Cholesterin wird in die Zellmembran eingebaut, zu Hormonen oder Gallensäurenweiterverarbeitet oder durch ACAT wieder zu Cholesterinestern umgebaut und so in einer Speicherform abgelegt. Ansammlungen von Cholesterinestern in Makrophagen und glatter Muskulatursind das erste Anzeichen für Atherosklerose.

Transkriptionelle Regulation durch SREBP2
Die Promotoren der Gene für den LDL-Rezeptor und die HMGCoA-Reduktase enthalten sog. Sterol regulatory elements (SREs), die als Erkennungssequenz für einen Transkriptionsfaktor fungieren, der aus dem endoplasmatischen Retikulum freigesetzt wird.

• Der Transkriptionsfaktor wird im Golgi-Apparat durch zwei Proteasen S1P und S2P aus einem Vorläuferprotein des Sterol-regulatory-element-binding-Proteins (SREBP) 2, pSREBP2, herausgeschnitten (› Abb. 18.18a). Dies passiert allerdings nur bei niedriger Cholesterinkonzentration im ER.
• Bei ausreichender oder hoher Cholesterinkonzentration
• im ER ist pSREBP2 zusammen mit dem sterinsensitiven SCAP im ER an Insig (= Insulin induced gene) gebunden, was den Export des pSREBP2/SCAP-Komplexes in den Golgi-Apparat verhindert
• Bei sinkender Cholesterinkonzentration ändert SCAP seine Konformation, und der pSREBP2/SCAP-Komplex wird durch COP-II-abhängige Prozesse in den Golgi-Apparat transloziert. Dort setzen die Proteasen den reifen Transkriptionsfaktor mSREBP frei, der die Transkription der Zielgene startet. Das ER-Retentionssignal Insig wird in Proteasomen degradiert

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Rolle von LDL Rezeptoren
Die Cholesterinaufnahme einer Zelle wird somit durch die Dichte an LDL-Rezeptoren auf der Zelloberfläche entsprechend ihrem aktuellen Cholesterinbedarf gesteuert. Einen dichten Besatz mit LDL-Rezeptoren haben Gonaden und die Nebennierenrinde, die für die Steroidhormonproduktion Cholesterin benötigen, sowie Leberzellen, die erhebliche Mengen an Cholesterin für die Produktion der Gallensäuren brauchen. Aufgrund ihrer Organgröße trägt die Leber am meisten (ca. 90%) zur Eliminierung von LDL und Cholesterin aus dem Plasma bei. Weil alle kernhaltigen Körperzellen zur Cholesterinsynthese befähigt sind und keine Versorgung von außen benötigen und weil das Cholesterin der LDL zumeist nicht direkt aus den VLDL stammt, sondern von HDL auf VLDL (und LDL) übertragen wurde, ist die zentrale Aufgabe der LDL und LDL-Rezeptoren also in der Entsorgung von Cholesterin in die Leber zu sehen.

Die meisten Zellen können aufgrund der geschilderten mehrfachen Regelmechanismen für die intrazelluläre Cholesterinhomöostase nicht mit Cholesterin überladen werden, weil sie sich durch Reduktion der Aktivität von LDL-Rezeptoren gegen einen übermäßigen Einstrom aus dem Blut schützen. Eine Ausnahme bilden Makrophagen, die neben regulierbaren LDL-Rezeptoren mehrere unregulierte Lipoproteinrezeptoren besitzen (› Abb. 18.14). Diese sog. Scavenger-Rezeptoren (engl. Scavenger = Straßenkehrer, Lumpensammler) binden und internalisieren LDL, die z.B. durch Oxidation, partielle Lipolyse oder Proteolyse (unten) chemisch modifiziert wurden. Da ihre Expression oder Aktivität nicht durch die zelluläre Cholesterinkonzentration reguliert ist, nehmen Makrophagen unbegrenzt modifizierte LDL und damit Cholesterin auf.

1 Definition

Als Schaumzellen werden transformierte Makrophagen bezeichnet, die durch eine massive Akkumulation von Lipidtropfen im Zytoplasma gekennzeichnet sind. Im histologischen Präparat zeigen sie ein "schaumiges" Inneres.

2 Pathophysiologie

In der Atherogenese transformieren im subendothelialen Raum Makrophagen zu Schaumzellen, in dem sie das modifizierte LDL (oxLDL) über Scavenger-Rezeptoren (LOX-1) aufnehmen und in Form von Lipidtropfen abspeichern. Die Aufnahme unterliegt keinem positiven Feedback - sie ist unkontrolliert und führt zu einer massiven Akkumulation von Lipidtropfen.

Nach lysosomaler Hydrolyse der Cholesterylester durch saure Lipase (ACEH) wird Cholesterin im endoplasmatischen Retikulum durch ACAT1 wieder verestert und in Form von zytosolischen Cholesterylestertröpfchen gespeichert. Wegen ihres entsprechenden Aussehens werden die Cholesterylester speichernden Makrophagen als Schaumzellen bezeichnet. Als weitere homöostatische Antwort auf die Cholesterinüberladung werden mehrere Cholesterineffluxprozesse aktiviert, die weiter unten zusammen mit dem HDL-Stoffwechsel beschrieben werden. Falls die Schaumzellen sich ihrer Cholesterinbeladung nicht entledigen können, gehen sie unter Zurücklassung der gespeicherten Cholesterylester in Apoptose.

Unter Arteriosklerose versteht man die Ablagerung von Fett, Thromben, Bindegewebe und Kalk in den Blutgefäßen. Wörtlich übersetzt heißt Arteriosklerose bindegewebige Verhärtung der Schlagadern.

Schlüsselereignisse in der Pathogenese der Atherosklerose.
a) Initiation der Läsion
b) Progression der Läsion
c) Plaqueruptur.

Initiation der Läsion: Die erste (reversible) Phase der Atherosklerose ist gekennzeichnet durch fettige Streifen (Fatty streaks) im Subendothel. Diese enthalten lipidbeladene Makrophagen (Schaumzellen). Sie entstehen aus Monozyten, die nach Endothelaktivierung aus dem Blutstrom in die Intima der Arterienwand einwandern und dort mittels Scavenger-Rezeptoren LDL aufnehmen, welche auch durch das Endothel in die Intima gelangt sind und dort oxidativ oder enzymatisch modifiziert wurden. Zum Teil wird das in Makrophagen akkumulierte Cholesterin durch Efflux aus HDL freigesetzt.

Progression der Läsion: Diese initiale Läsion wird meist durch eine entzündliche Bindegewebsvermehrung abgekapselt, welche die Stenosen atherosklerotischer Arterien verursacht. Die Schaumzellen tragen hierzu bei, weil sie eine Vielzahl von Cytokinen und Wachstumsfaktoren freisetzen, welche die Aktivierung des Endothels unterhalten und weitere weiße Blutzellen in die Arterienwand einwandern lassen sowie die Proliferation und Migration von glatten Muskelzellen der Media induzieren. Die in die Intima eingewanderten glatten Muskelzellen sezernieren Matrixproteine, welche zusammen mit den glatten Muskelzellen eine fibröse Kappe bilden, die die Makrophagen abschirmt.

Plaqueruptur: Die Schaumzellen gehen z.T. in Apoptose und lassen extrazelluläre Lipidablagerungen zurück. Sie sezernieren auch Metalloproteinasen (MMP), welche die Matrix degradieren und damit die fibröse Kappe destabilisieren, bis sie allenfalls reißt. Das Kollagen der Matrix ist ein starkes Signal für die Plättchenaktivierung. Der von den Makrophagen freigesetzte Gewebsfaktor aktiviert die Gerinnung. Als Ergebnis der Plättchen- und Gerinnungsaktivierung kann es zu einem akuten thrombotischen Verschluss der betroffenen Arterie kommen. In Koronargefäßen ist dieses Ereignis der letzte Schritt in der Entstehung von Herzinfarkten.

Heute lässt sich die Hypercholesterinämie sehr gut medikamentös durch Hemmer der HMG-CoA-Reduktase (Statine) behandeln, was das Herzinfarktrisiko senkt.

Senkung von LDL-C (LDL-Cholesterin) um 2-3 mmol/L Senkt KHK-Inzidenz um 40%-50%

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In vielen epidemiologischen Studien hat sich herausgestellt, dass die Konzentrationen von Cholesterin im Plasma oder in der LDL-Fraktion direkt und die Konzentration des Cholesterins in HDL invers mit dem Herzinfarktrisiko korrelieren. Überschlagsmäßig erhöht sich das Herzinfarktrisiko um 1% pro 1 mg/dL Anstieg des LDL-Cholesterin-Spiegels und um 2% pro 1 mg/dL Abfall des HDL-Cholesterin-Spiegels.

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HDL sind die komplexesten Lipoproteine. Bis heute wurden mehr als 50 Proteine identifiziert, die sich sehr unterschiedlich auf verschiedene HDL-Subklassen verteilen. Den meisten HDL-Subklassen ist gemeinsam, dass sie ApoA-I als zentrales Strukturprotein enthalten, ohne das keine cholesterintransportierenden HDL entstehen. Die reifen HDL-Partikel enthalten je 3 oder 4 Moleküle ApoA-I.