Mathias Soller

• Sepsis ist eine lebensbedrohliche Krankheit und eine der häufigsten Todesursachen auf Intensiv-Stationen. Eine der Hauptursachen für die Schwere dieser Krankheit ist die Lymphopenie, d. h. die apoptotische Depletion von Lymphozyten, die vor allem in der späten hypo-inflammatorischen Phase der Sepsis auftritt. Die dafür verantwortlichen Signalwege sind jedoch nicht im Detail geklärt. Die Liganden-vermittelte Aktivierung von PPARgamma (‚peroxisome proliferator activated receptor gamma’), einem wichtigen Regulator der Immunantwort, führt zur Apoptose in aktivierten T-Zellen. Daher postulierte ich, dass die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen zur Lymphopenie während der Sepsis beiträgt. Hierbei konnte ich zeigen, dass T-Zellen aus dem peripheren Blut von Sepsis-Patienten eine stark erhöhte PPARgamma-mRNA-Expression zeigten und in vitro stark erhöhte Apoptoseraten infolge einer Liganden-vermittelten PPARgamma-Aktivierung aufwiesen. Die hierfür erforderlichen PPARgamma-Liganden lagen im Plasma von Sepsis-Patienten vor. D. h. die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen könnte zur nachgewiesenen Lymphopenie während der Sepsis beitragen. Aufgrund der anti-inflammatorischen Wirkung von PPARgamma könnte dessen gezielte Aktivierung in der frühen hyper-inflammatorischen Phase durch Thiazolidindione (TZDs) als synthetische PPARgamma-Aktivatoren therapeutisch interessant sein. Da diese jedoch auch auf PPARgamma-unabhängigen Wegen den Zelltod in T-Zellen induzieren können, war es essentiell, die dafür verantwortlichen Signalwege zu klären. Dabei konnte ich feststellen, dass Ciglitazon Nekrose und Troglitazon Apoptose auf PPARgamma-unabhängigen Wegen bereits nach 4 h in Jurkat T-Zellen induzierten, wohingegen Rosiglitazon keinen Einfluss auf den Zelltod hatte. Die Inkubation der TZDs führte zur Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies, welche eine wichtige Rolle bei der Ciglitazon-induzierten Nekrose, jedoch nur marginal bei der Troglitazon-induzierten Apoptose spielten. Durch Studien in submitochondrialen Partikeln konnte ich zeigen, dass die getesteten TZDs den Komplex I der mitochondrialen Atmungskette inhibierten, während nur Ciglitazon und Troglitazon zusätzlich den Komplex II hemmen konnten. Mit Hilfe synthetischer Atmungskette-Inhibitoren konnte ich weiterhin zeigen, dass die Zelltod-Induktion nach Ciglitazon und Troglitazon in Jurkat T-Zellen hauptsächlich auf der Hemmung des Komplexes II beruhte. Da die Ciglitazon-Inkubation zur Depletion des ATP-Gehaltes führte, erfolgte eine Nekrose-Induktion nach Ciglitazon, wohingegen Troglitazon den ATP-Gehalt nicht beeinflusste und daher Apoptose induzierte. Die von mir identifizierten PPARgamma-unabhängigen Mechanismen der Zelltod-Induktion durch TZDs könnten eventuell Nebenwirkungen bei TZD-basierten Therapien erklären.
• Sepsis is the most common cause of death in intensive care units. Lymphopenia, mainly caused by apoptotic depletion of T cells, occurs during the hypo-inflammatory phase of sepsis and is one of the main reasons for poor outcome of this disease. However, pathways leading to lymphopenia are not identified in detail. Studies in mice and human cells suggested a role of the peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARgamma), a major regulator of adaptive immune response, in provoking apoptosis in activated T lymphocytes. Therefore, I postulated that activation of PPARgamma might contribute to T cell death during sepsis leading to lymphocyte loss in sepsis. In my study, I observed strong PPARgamma up-regulation in T cells of septic patients. In contrast to controls, PPARgamma expressing cells from septic patients responded with apoptosis following PPARgamma activation in vitro. PPARgamma ligands, responsible for PPARgamma activation in T cells in vivo were identified in sera of septic patients. Therefore, apoptosis in T cells due to PPARgamma activation may contribute to lymphopenia occurring during the hypo-inflammatory phase of sepsis. Since PPARgamma also provokes an anti-inflammatory immune response its activation during the hyper-inflammatory phase of sepsis may represent a potential therapy approach. Thiazolidinediones (TZDs) as PPARgamma activators are of potential interest since they are already therapeutically used as insulin sensitizers. However, besides therapeutical benefits, TZDs also act in a PPARgamma-independent manner thereby inducing cell death which was the focus in my further studies. In Jurkat T cells, ciglitazone and troglitazone provoked rapid and dose-dependent cell death, whereas rosiglitazone did not alter cell viability. I found induction of apoptosis by troglitazone, whereas ciglitazone caused necrosis in a PPARgamma-independent manner. Because pre-incubation with reactive oxygen species (ROS) scavengers significantly inhibited ciglitazone- and partially troglitazone-mediated cell death, ROS contribute to cytotoxicity. Assuming that ROS originate from mitochondria, studies in submitochondrial particles demonstrated that all thiazolidinediones inhibited complex I of the mitochondrial respiratory chain. However, only ciglitazone and troglitazone lowered complex II activity as well. Pharmacological inhibition of complexes I and II documented that complex II inhibition in Jurkat cells caused massive apoptotic cell death, whereas inhibition of complex I provoked only marginally apoptosis after 4h treatment. Therefore, inhibition of complex II by ciglitazone and troglitazone is the main trigger of cell death. ATP depletion by ciglitazone, in contrast to troglitazone, is responsible for induction of necrosis. My results demonstrate that despite their similar molecular structure, thiazolidinediones differently affect cell death in a PPARgamma-independent manner, which might help to explain some adverse effects occurring during thiazolidinedione-based therapies.