Cyclooxygenase (COX) ist das Schlüsselenzym bei der Synthese von Prostaglandinen durch Oxidation von Arachidonsäure. Prostaglandine erfüllen beide Funktionen im Zusammenhang mit der Homöostase verschiedener Organe und mit Schmerzen, Entzündungen und der Entwicklung von Neoplasmen. 1971 schlug Sir John Vane vor, dass der wichtigste Wirkmechanismus von Aspirin-ähnlichen Arzneimitteln die Hemmung der Prostaglandin-Biosynthese sei., Heute wissen wir, dass Aspirin und andere nichtsteroidale entzündungshemmende Medikamente die Wirkung von COX1 stören. Erste Studien zeigten, dass die COX-Aktivität in aktivierten Zellen erhöht werden kann und dass diese Aktivität nicht vollständig durch Kortikosteroidsynthese gehemmt wird. Diese Beweise führten zur Entdeckung der Existenz von zwei Isoformen von COX, genannt COX-1 und COX-2., Obwohl beide Cyclooxygenasen eine ähnliche Affinität für Arachidonsäure haben und zu 90% homolog sind, haben sie eine unterschiedliche Affinität für das Substrat und finden sich an verschiedenen Stellen innerhalb der Zelle. Es gibt auch Unterschiede in den Genen, die die beiden Enzyme kodieren.

Cyclooxygenase-1 (COX-1)

COX-1 spielt eine wichtige Rolle bei der Synthese von Prostanoiden für physiologische Zwecke und reguliert Funktionen wie Magen-Darm-Schutz, vaskuläre Homöostase, Nierenhämodynamik und Thrombozytenfunktion., Das COX-1-Gen misst ungefähr 22 kb, hat 11 Exons und stammt aus einer Duplikation eines sehr angestammten gemeinsamen Gens. Es befindet sich auf Chromosom 9 und seine Promotorregion hat keine TATA-Box, enthält jedoch viele Transkriptionsstellen, was darauf hindeutet, dass sein Gen vom Typ „Erhaltungsgene“ist. In der Zelle befindet sich COX-1 normalerweise im Zytoplasma oder in der Nähe des endoplasmatischen Retikulums. Obwohl COX-1 in vielen Geweben konstitutiv exprimiert wird, ändern sich seine Werte während der Entwicklung., Die Proteinstruktur beider Enzyme ist ähnlich, mit einer Homologie von mehr als 90%. Das Molekulargewicht von COX-1 beträgt ungefähr 69,05 kD, und kristallographische Untersuchungen haben strukturelle Unterschiede gezeigt, die aus der Aminosäuresequenz abgeleitet sind. Seine Struktur hat zwei Domänen, die eine, die an die Membranen bindet, besteht aus vier Helices, die einen Kanal bilden, der den Eintritt von Arachidonsäure von der Membran an den Ort mit enzymatischer Aktivität ermöglicht. In dieser Region gibt es zwei aktive Standorte, eine katalysierende Cyclooxygenierung und eine Perooxidation3, 4.,

Cyclo-Oxygenase-2 (COX-2)

Obwohl die Existenz mehrerer Isoformen des COX Mitte der siebziger Jahre postuliert worden war, gab es erst Anfang der neunziger Jahre konkrete Hinweise auf eine zweite Isoform von COX, die normalerweise nicht in der Zelle vorhanden ist, aber schnell nach Exposition der Zelle gegenüber Wirkstoffen wie Lipopolysaccharid oder proinflammatorischen Zytokinen auftritt und die Produktion von Prostanoiden reguliert, die an Entzündungen beteiligt sind,und andere Prozesse sind nicht entzündliche und physiologische patológicos3, 5., Aus diesem Grund wurde COX-2 als induzierbare Form und COX-1 als konstitutive Form6 bezeichnet. COX-2 hat ein kleineres Gen, das sich auf Chromosom 1 befindet, ungefähr 8,3 kb misst und 10 Exons enthält. Seine Promotorregion weist Ligationsstellen auf, von denen bekannt ist, dass sie Glukokortikoide, Interleukin – 6 und andere Zytokine erkennen7. In der Zelle findet sich COX-2 hauptsächlich in der perinukleären Region und in der Kernmembrane4., Sein Auftreten in Zellen kann in vielen Arten von Ihnen stimuliert oder induziert werden4, einschließlich derjenigen, die mit der Entzündungsreaktion zusammenhängen, obwohl neuere Studien gezeigt haben, dass es konstitutiv an verschiedenen Punkten des männlichen und weiblichen Genitaltrakts und während Prozessen im Zusammenhang mit Eisprung, Eierstockimplantation, Induktion von Wehen und Fortpflanzung exprimiert wird. Es äußert sich auch in verschiedenen Arten von Neuronen und beteiligt sich an der Krebstransformation, in diesem Fall durch Mechanismen der Resistenz gegen den programmierten Tod (Apoptose)., Der Wirkungsmechanismus besteht in diesen Fällen nicht nur in der Hemmung von Prostaglandinen, sondern auch in der Kopplung oder Störung der Funktionen anderer Proteine. Sein Molekulargewicht beträgt 69,09 kD. Strukturell sind COX-1 und COX-2 ähnlich, aber die Bindungsstelle für Arachidonsäure ist unterschiedlich. Der COX-2 verfügt über einen breiteren Kanal, der den Zugriff auf große NSAIDs ermöglicht, die den COX-1-Kanal nicht durchdringen würden., Seine dreidimensionale Struktur besteht aus drei unabhängigen Einheiten: eine ähnlich dem epidermalen Wachstumsfaktor 2, eine andere in der Membran und eine andere, in der es die Enzymdomänen enthält.

zusätzlich zu den kommentierten Genunterschieden in Bezug auf Verteilung, Regulation, Expression und Struktur werden beide Enzyme durch unterschiedliche Reize aktiviert, verwenden unterschiedliche Substratpools und sind an verschiedene Phospholipasen A2 gekoppelt., Wenn in murinen Zellen die COX-2-Aktivität blockiert ist, kann Arachidonsäure, die durch bestimmte Reize freigesetzt wird, nicht in Prostaglandine umgewandelt werden, obwohl COX-1-Aktivität in der Zelle vorhanden ist.

Cyclooxygenasen und der Magen-Darm-Trakt

PGE2 reduziert die Magensäureproduktion und produziert Schleimhautvasodilatation. Darüber hinaus erhöht sich die Sekretion von Schleim, Magensaft und Zwölffingerdarmbicarbonat. Beim Menschen werden die meisten Prostaglandine mit schützender Wirkung der Magenschleimhaut durch COX-1 synthetisiert., Bei humanen Dickdarmkrebsarten wird COX-2 jedoch in großen Mengen exprimiert3.

renale Cyclooxygenasen

Unter normalen Bedingungen werden Prostaglandine in verschiedenen anatomischen Regionen der Niere produziert. Seine Unterdrückung durch Blockade von COX-1 kann der wichtigste Mechanismus der Nephrotoxizität sein, der von NSAIDS produziert wird. Zum Beispiel verringern Prostaglandine PGI2, PGE2 und PGD2 den Gefäßwiderstand, indem sie die Markgefäße erweitern und die Perfusion der Niere erhöhen., Dies führt zu einer Umverteilung des Blutflusses von der Nierenrinde zu den Nephronen der juxtamedulären Region. Die Hemmung dieser Prostaglandine neigt dazu, die gesamte Nierenperfusion zu verringern und den Blutfluss in den Kortex umzuverteilen. In extremen Situationen gipfelt dies in akuter Nierenvasokonstriktion und medullärer Ischämie, die zu akutem Nierenversagen führen können. Darüber hinaus hat PGE2 eine harntreibende und natriuretische Wirkung, daher die von NSAIDS produzierte Hydrosalinretention. PGE2 zusammen mit PGI2 halten glomeruläre Filtration., Die renale Prostaglandinsynthese ist ein physiologischer Mechanismus, der einer verminderten Nierenperfusion entgegenwirkt. Die Verringerung des Blutflusses tritt in Situationen der volumetrischen Kontraktion auf. Unter diesen Umständen erzeugt PG eine kompensatorische Vasodilatation des Nierengefäßsystems, die der stimulierenden Wirkung der Renin-Angiotensin-Aldosteron-Achse entgegenwirkt. Die Aufrechterhaltung der Nierenfunktion bei Patienten mit Herzinsuffizienz, Zirrhose und Nierenversagen hängt von der gefäßerweiternden Wirkung von Prostaglandinen ab., PGE2 und Prostacyclin, die direkt an diesem gefäßerweiternden Effekt beteiligt sind, werden über den COX-1-Weg synthetisiert. In Situationen von Salzmangel wurde COX-2 in den dichten Nierenmakula9, 10 exprimiert.

Cyclooxygenasen bei Arthritis

sowohl in der Synovialflüssigkeit als auch in der Synovialmembran von Patienten mit Arthritis werden COX-1 und COX-2 auf Protein-und mRNA-Niveau11,13. In beiden Fällen sind die verantwortlichen Zellen mononukleäre Zellen des monozytisch-phagozytischen Stammes., Der Beitrag jeder dieser beiden Isoformen zur Synthese von Prostaglandinen ist noch nicht genau bekannt. Es gibt Hinweise darauf, dass die PG-Produktion selbst in Gegenwart von COX-1 fast ausschließlich von COX-2 abhängen kann. In in vitro murine Systeme PG-Synthese ist abhängig von der Kopplung zwischen Phospholipasen und Cyclooxygenasen. Zum Beispiel führt die Behandlung mit Fibroblasten-Mitogenen zu einer Erhöhung der Freisetzung von PG. Wenn die COX-2-Expression blockiert ist, wird PG auch in Gegenwart von COX-1 nicht produziert., Dies würde beim Menschen erklären, wie selektive COX-2-Inhibitoren die Gelenksynthese (Schmerzen und Entzündungen) hemmen könnten, selbst wenn große Mengen COX-1 in der Synovialmembran und in Synovialflüssigkeitszellen12-14.

andere Funktionen von Cyclooxygenasen

COX-1 findet sich in Neuronen im gesamten Gehirn, insbesondere im Frontalbereich. Bei Neugeborenen gibt es erhöhte COX-2-Expressionswerte im Frontalbereich, die im Erwachsenenalter niedriger bleiben., Bei einigen Tieren und vielleicht auch beim Menschen äußert sich COX-2 auch im Rückenmark15.

COX-1 und COX-2 werden im Anfangsstadium der Schwangerschaft im Uterusepithel exprimiert. Beides kann für die Implantation des Eies und für die Entstehung und Entwicklung der Plazenta16 wichtig sein. Verschiedene epidemiologische Studien haben einen Zusammenhang zwischen der Einnahme von Aspirin und dem Darmkrebsrisiko festgestellt. Es wurde auch beobachtet, dass einige entzündungshemmende Medikamente die Anzahl der adenomatösen Polypen bei Patienten mit familiärer Polyposis reduzieren., Bei Dickdarmkrebs und kolorektalen Karzinomen wurde eine hohe COX-Expression sowohl auf Protein-als auch auf mRNA-Ebene beobachtet. Neuere Studien legen den Zusammenhang von COX – 2 und Kolonkarzinogenese nahe. Erhöhte COX-2-Werte wurden auch in murinen Modellen der familiären Polyposis gefunden,und bei Nagetieren mit chemisch eingeschlossenem Kolonkarzinom wurden selektive COX-2-Inhibitoren beobachtet, um die Adenombildung zu unterdrücken8, 17-20.

der Zusammenhang zwischen COX und Alzheimer basiert auf epidemiologischen Studien., Der COX-2-Gehalt im Hirngewebe von Alzheimer-Patienten ist nachweislich niedriger als normal, was auf einen übermäßigen Verlust von Neuronen im fortgeschrittenen Krankheitsstadium zurückzuführen sein kann21.

Cyclooxygenasen und neue Entzündungshemmer

Einer der Bereiche mit der meisten Zukunft in der Forschung ist die Entwicklung von Chemikalien, die spezifische COX-2-Inhibitoren sind.

eine Vielzahl von biologischen Assays wurde entwickelt, um die Aktivität von NSAIDs gegen COX-1 und COX-2 zu definieren., Diese Studien haben gezeigt, dass die verschiedenen NSAIDs eine variable hemmende Wirkung haben. In vitro scheinen einige COX-2 selektiver zu hemmen als COX-1, die klinische Relevanz dieser Studien ist jedoch zweifelhaft. Im Gegenteil, die Spezifität der Hemmung scheint klinischer zu sein. Das Konzept der Spezifität ist ein In-vivo-Konzept, das die Fähigkeit widerspiegelt, COX-2 klinisch (Entzündung) zu unterdrücken, ohne COX-1 klinisch zu hemmen (Fehlen von Mageneffekten und Fehlen von Wirkungen auf die Thrombozytenfunktion)., Bisher wurde gezeigt, dass keines der verfügbaren NSAIDs eine spezifische Wirkung auf COX-2 hat. Es gibt jedoch zwei Moleküle, die diese Qualität kombinieren und in Kürze auf dem Markt erscheinen werden. Seine Wirkung auf Entzündungen und Schmerzen und das Fehlen relevanter Nebenwirkungen scheint ein wichtiger Schritt in der Therapie entzündlicher Erkrankungen zu sein.