20-Hydroxyeicosatetraensäure, auch bekannt als 20-HETE, ist ein Metabolit der Arachidonsäure mit einem breiten Wirkspektrum, vor allem auf das Herz-Kreislauf-System und die Nieren. Physiologisch ist 20-HETE an der Regulation des Blutdrucks und der Organdurchblutung beteiligt. Präklinische Studien legen eine Rolle von 20-HETE bei der Pathogenese von Herzinfarkten und Schlaganfällen nahe. Ein Verlust der Synthesefähigkeit von 20-HETE ist mit dem Auftreten der hereditären spastischen Paraplegien (HSP) assoziiert. Eine Überproduktion von 20-HETE kann zur Entstehung von Tumoren beitragen, insbesondere zu Mamma-Karzinomen.

Biosynthese Produktion beim Menschen 20-HETE wird durch Cytochrom-P450-ω-Hydroxylasen (CYP450) aus Arachidonsäure synthetisiert. Hierbei sind in den meisten Geweben die Subtypen CYP4A und CYP4F für diese Reaktion verantwortlich. In kleinen Mengen entsteht durch diese Enzyme auch die verwandte 19-HETE. Außerdem sind die Subtypen CYP2U1 und CYP4F8 in der Lage, die beiden Formen ineinander umzuwandeln. Je nach Gewebe unterscheidet sich die Ausstattung mit den jeweiligen Enzymen jedoch zum Teil erheblich.

Das Enantiomer 19(R)-HETE ist in der Lage, die Wirkung von 20-HETE auf das Herz-Kreislauf-System zu antagonisieren.

Viele der beteiligten Enzyme sind in der Lage, ebenfalls kürzer- oder längerkettige Fettsäuren zu hydroxylieren. Damit sind sie auch für die Bildung verschiedener Prostaglandine und Leukotriene wichtig, die zusammen mit 20-HETE Entzündungsvorgänge induzieren und modulieren können.

Produktion bei Nagetieren und anderen Tieren Bei Mäusen werden 19-HETE und 20-HETE durch die beiden miteinander verwandten Enzyme CYP4A12A und CYP4A12B synthetisiert; die Isoform CYP4A12A ist in der männlichen Niere androgenabhängig aktiv. Bei Ratten sind dafür die Enzyme CYP4A1, CYP4A2, CYP4A3 und CYP4A8 verantwortlich. Die Verteilung der Enzyme in den einzelnen Geweben weicht allerdings stark von der beim Menschen ab, sodass vergleichende Studien schwierig sind.

Die Enzyme CYP2J9 (bei Mäusen), CYP2J3 (bei Ratten) und CYP2J (bei Schafen) metabolisieren Arachidonsäure in erster Linie zu 19-HETE. Die Cytochrome vom Typ CYP2J können außerdem 18-HETE bilden.

Regulation der Biosynthese Die Biosynthese von 20-HETE kann durch eine Reihe von Faktoren gesteigert werden. Besonders hervorzuheben sind hierbei Androgene, Angiotensin II, Endotheline und Noradrenalin. Pharmakologisch ist bei Gabe von COX-2-Hemmern wie NSARs, Opioiden und Furosemid zu beachten, dass dadurch die Biosynthese von 20-HETE gesteigert werden kann.

Gehemmt wird die Biosynthese durch Stickstoffmonoxid, Kohlenstoffmonoxid und Superoxid-Anionen. Diese physiologischen Inhibitoren wirken über eine Bindung an das Häm in den Cytochromen. Auf pharmakologischer Seite lässt sich die 20-HETE-Synthese durch Arachidonsäure-Analoga hemmen.

Verbreitung der Enzyme 20-HETE-bildende Enzyme kommen beim Menschen in Leber, Niere, Gehirn, Lunge und Darm sehr häufig vor. In Blutgefäßen beschränkt sich die Aktivität auf die glatte Gefäßmuskulatur, während das Endothel fast keine 20-HETE bildet. Außerdem kann 20-HETE von Blutzellen wie neutrophilen Granulozyten und Thrombozyten gebildet werden.

Metabolismus Der wichtigste Weg zum Abbau von 20-HETE ist die Konjugation mit aktivierter Glucuronsäure im Rahmen der Biotransformation. Darüber hinaus sind viele weitere Abbauwege bekannt, bei denen teilweise wiederum selbst biologisch aktive Metabolite wie Prostaglandine und Leukotriene entstehen.

Effekte bei Nagetieren Verengung der Blutgefäße In verschiedenen Nagetiermodellen konnte gezeigt werden, dass 20-HETE in niedrigen Konzentrationen (unter 50 nmol/L) Arterien konstringieren kann. Dieser Mechanismus funktioniert über die Sensitivierung der glatten Muskelzellen für gefäßverengende Substanzen wie alpha-adrenerge Agonisten, Vasopressin, Endothelin und Angiotensin II.

20-HETE interagiert in komplexer Weise mit dem RAAS: Angiotensin II stimuliert in den präglomerulären Kapillaren der Niere die Produktion von 20-HETE. Diese Produktion wird benötigt, damit Angiotensin II seine volle vasokonstriktorische Wirkung entfalten kann. 20-HETE induziert außerdem die Transkription des Angiotensin-konvertierendes Enzym (ACE). Andere Substanzen wie Androgene und Noradrenalin stimulieren die 20-HETE Produktion ebenfalls und haben vasokonstriktorische Wirkung, die durch 20-HETE verstärkt wird.

In einem anderen Mausmodell konnte 20-HETE kalziumabhängige Kaliumkanäle blockieren. Dadurch wird der Kalziumeinstrom in glatten Muskelzellen durch L-Typ-Ca2+-Kanäle gefördert, was die Muskelkontraktion und damit die Vasokonstriktion verstärkt.

Bei Ratten konnte gezeigt werden, dass 20-HETE in Endothelzellen die Assoziation der NO-Synthase (eNOS) mit dem Chaperon Hsp90 inhibiert. Dadurch kann die eNOS nicht aktiviert werden. So können die Zellen kein vasodilatierendes NO synthetisieren und potentiell schädliche Superoxid-Anionen können sich im Zytosol anreichern.

20-HETE kann Arterien ebenfalls direkt über die Aktivierung des Thromboxan-A2-Rezeptors verengen (weiteres dazu im Abschnitt Gefäßtonus).

Diese vasokonstriktorischen Effekte können den Blutfluss in spezifischen Teilen des Körpers vermindern. Bei systemischer Wirkung kann 20-HETE damit den Blutdruck erhöhen.

Verletzung von Blutgefäßen Ratten, bei denen die Arteria carotis communis selektiv geschädigt wurde, zeigten im Anschluss erhöhte Aktivität von CYP4A und infolgedessen auch erhöhte Spiegel von 20-HETE im betroffenen Gewebe. Die Inhibition der 20-HETE-produzierenden Enzyme konnte die Intimaproliferation und die Umstrukturierung der Gefäßstruktur am geschädigten Endothel deutlich vermindern. Diese Effekte legen nahe, dass 20-HETE physiologischerweise an der Heilung von Gefäßverletzungen beteiligt ist.

Thrombosen Im C57BL/6-Mausmodell wurde gezeigt, dass 20-HETE die Entwicklung von Thrombosen in der Arteria carotis communis und der Arteria femoralis beschleunigen kann und dabei den Blutfluss durch die betroffenen Gefäße reduziert. Studien an menschlichen Zellen aus Umbilikalvenen zeigen, dass 20-HETE als extrazellulärer Aktivator von Kinasekaskaden wirken kann, die die Freisetzung des thrombosefördernden Von-Willebrand-Faktors erhöhen.

Renale Absorption Im Tiermodell kann 20-HETE die Proteinkinase C (PKC) in den Epithelzellen des Nierentubulus aktivieren. Die aktivierte PKC phosphoryliert und hemmt die Natrium-Kalium-ATPase und blockiert außerdem den Natrium-Kalium-Chlorid-Symporter (NKCC) und einen Kaliumkanal in der aufsteigenden Henle-Schleife. Dadurch wird die Resorption von Natrium und Wasser im Nephron reduziert und damit der Blutdruck gesenkt.

Bluthochdruck Wie oben bereits beschrieben kann 20-HETE den Blutdruck sowohl steigern als auch senken. Die Effekte von 20-HETE sind komplex, wie die nachfolgenden Studien am Tiermodell zeigen. Viele der Modelle scheinen ähnliche Effekte wie beim Menschen auszulösen. So haben zum Beispiel Männer öfter Bluthochdruck als Frauen; dieses Verhältnis ändert sich jedoch bei der Betrachtung von Frauen nach der Menopause mit relativ gesehen höheren Androgenspiegeln.

Spontaner Bluthochdruck Spontan hypertensive Ratten zeigen erhöhte Spiegel von CYTP4A2 und 20-HETE. Bei Blockade der 20-HETE-Produktion konnte der Blutdruck vor allem bei weiblichen Tieren nach der Menopause deutlich gesenkt werden.

Salz-sensitiver Bluthochdruck Salz-sensitive Ratten entwickeln bei hoher Salzaufnahme sehr schnell eine arterielle Hypertonie, die durch die Reduktion des Salzkonsums sehr gut behandelt werden kann. In diesem Modell zeigen Ratten einen hochregulierten CYP4A/20-HETE-Stoffwechsel im zerebralen Gefäßsystem und eine gesteigerte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in den Endothelzellen, die wiederum den CYP4A/20-HETE-Stoffwechsel stimulieren. Die Inhibition von CYP4A und der 20-HETE-Produktion kann den Blutdruck senken. Der Bluthochdruck in diesem Modell tritt bei männlichen Ratten gehäuft auf und scheint durch Vasopressin und das RAAS beeinflusst zu werden.

In einem anderen Modell konnte gezeigt werden, dass die Wirkung von 20-HETE auf den Blutdruck nicht nur vom betroffenen Organ, sondern auch von den einzelnen Gebieten eines Organs abhängt: Während in der Nierenrinde die 20-HETE-Produktion durch einen Inhibitor nicht gesenkt werden konnte und der Blutdruck dadurch anstieg, wirkte derselbe Inhibitor im Nierenmark.

Androgen-induzierter Bluthochdruck Die Gabe von Androgenen verursacht bei männlichen und weiblichen Ratten Bluthochdruck. Dieser Druckanstieg kann durch Inhibitoren von CYP4A und anderen 20-HETE-synthetisierenden Enzymen deutlich reduziert werden.

Gentechnisch-bedingter Bluthochdruck Transgene Mäuse mit einer Überexpression von CYP4A12 entwickeln einen Androgen-unabhängigen Bluthochdruck, der mit erhöhten 20-HETE-Spiegeln assoziiert ist. Dieser kann durch einen CYP4A-selektiven Inhibitor vollständig behandelt werden. Männliche Mäuse, die das CYP4A14 durch Gen-Knockout nicht exprimieren, entwickeln eine Androgen-abhängige Hypertonie. Dieses scheinbar paradoxe Ergebnis ist auf die reaktive Überexpression von CYP4A12A zu erklären. Der Knockout des CYP4A14, das keine 20-HETE produziert, führt zu einer gesteigerten Expression des 20-HETE-produzierenden CYP4A149 und daraus folgender Überproduktion von 20-HETE. Bei diesem Versuch konnten außerdem Indizien dafür gewonnen werden, dass der gesteigerte Blutdruck unter anderem durch den vermehrten Einbau des Natrium-Protonen-Antiports 3 in der Niere verursacht wird. Ergebnisse aus den CYP4A12-transgenen Mäusen unterstützen diese These.

Mäuse ohne CYP4A10 haben bei einer salzarmen Diät normale Blutdrücke, bei normalem oder gesteigertem Salzkonsum jedoch Bluthochdruck. Dieser Effekt beruht auf einem renalen Mangel an CYP2C44 infolge des Verlusts von CYP4A10. CYP2C44 metabolisiert Arachidonsäure zu einer Reihe vasodilatativ-wirkender Substanzen. Der gesteigerte Blutdruck kann durch eine Aktivierung von CYP2C44 wirkungsvoll behandelt werden.

Effekte beim Menschen Genetische Studien CYP4A11-Polymorphismus Das humane CYP4A11 stimmt in seiner Aminosäuresequenz zu großen Teilen mit zwei Cytochromen bei Mäusen überein. Daher liegt die Vermutung nahe, dass auch die Funktion beim Menschen zumindest ähnlich ist. Beispielsweise sorgt ein Defekt im menschlichen CYP4A11 für Bluthochdruck, genauso wie ein Defekt im murinen CYP4A14.

Bei einer Variante des Gens von CYP4A11 ist an Stelle 8590 ein Thymidin durch ein Cytosin ersetzt. Das führt im Protein zu einem Aminosäureaustausch, der die Enzymaktivität von CYP4A11 im Bezug auf die Produktion von 20-HETE vermindert, was mit arterieller Hypertonie in Zusammenhang gebracht werden konnte. Auch eine Mutation in der Promotorregion von CYTP4A11, die mit verminderter Transkription einhergeht, ist mit Bluthochdruck assoziiert. Außerdem konnte bei einer weiteren Mutation ein erhöhtes Risiko für Schlaganfälle nachgewiesen werden.

CYP4F2-Polymorphismus Auch beim CYP4F2 konnte eine Mutation nachgewiesen werden, die mit verminderter 20-HETE-Syntheseaktivität und vor allem bei Männern mit erhöhtem Blutdruck einhergeht. Ebenfalls konnte eine erhöhte Rate an Schlaganfällen und Herzinfarkten nachgewiesen werden. Eine Mutation in einem Intron konnte ebenfalls mit Bluthochdruck in Verbindung gebracht werden.

CYP2U1-Mutationen