The role of reactive oxygen species during vasodilatation by tea polyphenols

Grünem und schwarzem Tee werden zahlreiche gesundheitsfördernde Wirkungen auf das Herz-Kreislauf-System zugeschrieben. Insbesondere wird der Schutz vor Arteriosklerose, Bluthochdruck und die positive Wirkung auf die Gefäßfunktion diskutiert. Darüber hinaus wurden auch antioxidative Effekte der Teepolyphenole beschrieben. In vitro wurden aber auch prooxidative Effekte von Teepolyphenolen beobachtet. Diese können selbst oxidiert werden und dadurch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Wasserstoffperoxid (H2O2) und Hyperoxidanionen (O2.-) bilden. Einige Arbeitsgruppen gehen von einer Autooxidation mit Bildung von Dimeren/Chinonen der Teepolyphenole aus, was bislang nur in vitro gezeigt werden konnte. In diesem Zusammenhang ist bislang nur teilweise verstanden, wie die beschriebenen vasodilatorischen Effekte der Polyphenole vermittelt werden. Es ist unklar, ob rezeptorvermittelte Signalwege involviert sind oder ob Autooxidation mit Bildung von ROS eine Rolle spielt. Bisher ist bekannt, dass Epigallocatechin-3-gallat (EGCG) in den Endothelzellen über Proteinkinasen die endotheliale Stickstoffmonoxid-Synthase (eNOS) durch Phosphorylierungen aktiviert und dadurch zu steigender Stickstoffmonoxid (NO.)- Produktion und nachfolgender Vasodilatation führt. Als involvierte Proteinkinasen konnten die Phosphatidylinositol-3-OH-Kinase (PI3-Kinase), cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) und Proteinkinase B (AKT) identifiziert werden. Es wird diskutiert, ob die NO-vermittelte Relaxation der Gefäße eine redoxempfindliche Reaktion ist, die die Anwesenheit von H2O2 und O2.- benötigt. Diese könnten als frühes Signal die PI3-Kinase/AKT-abhängige eNOS-Phosphorylierung auslösen. In der vorliegenden Arbeit sollte eine mögliche Autooxidation unter Bildung von ROS als übergeordneten Auslöser des PI3/AKT-Kinase-Signalweges untersucht werden. Studienergebnisse zur Autooxidation von EGCG wurden in der vorliegenden Arbeit auf grünen und schwarzen Tee, sowie Theaflavin-3,3´-digallat (TF3) als Bestandteil des schwarzen Tees, erweitert und somit auf verschiedene Teepolyphenole übertragen. Die Untersuchungen erfolgten in mehreren Schritten, um die Ergebnisse mit verschiedenen Methoden zu verifizieren. Basis aller Untersuchungen bildete das Aortenringmodell aus der Ratte, welches als ex vivo Versuchsmodell die in vivo Situation im Blutgefäß nachstellt. Um die Beteiligung der ROS H2O2 und O2.- an der Vasodilatation durch Teepolyphenole zu untersuchen, wurde zu Beginn eines jeden Experimentes als Einmalgabe Superoxiddismutase (SOD, 500 U/ml), Katalase (200 U/ml) oder Mangan(III)tetrakis(1-methyl-)porphyrin (MnTMPyP, 10 μM) dem Organbad zugegeben. Mitgeführt wurden Kontrollringe, die nur mit Wasser behandelt wurden. Zur Messung der Vasodilatation erfolgte alle 30 Minuten die Gabe von EGCG (0,1 - 10 μM), TF3 (0,02 - 2 μM), sowie grünem oder schwarzem Tee (5 -50 μl, was bei 50 μl ca. 5 μM EGCG bzw. 0,06 μM TF3 entsprach) in die Organbäder. Die Teepolyphenol-induzierte Vasodilatation wurde bei allen Interventionen durch Katalase vollständig verhindert, bei schwarzem Tee durch SOD hingegen signifikant verstärkt. Eine nicht signifikante Verstärkung der Vasodilatation durch SOD war auch bei EGCG, TF3 und grünem Tee zu beobachten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass H2O2 maßgeblich die Vasodilatation auslöst. Die Stabilitätsmessungen von EGCG und TF3 gaben Aufschluss über eine mögliche Autooxidation der Teepolyphenole. EGCG (1 und 10 μM) und TF3 (0,5 und 2 μM) wurden als Einmalgabe dem Organbad zugegeben und nach 1, 15 und 30 Minuten Proben entnommen. Die Messungen von EGCG und TF3 mittels Ultrahochdruckflüssigkeitschromatographie zeigten einen raschen Konzentrationsabfall im zeitlichen Verlauf und unterstützen damit die These der Autooxidation. Dies kann auch für die Teepolyphenole im grünen und schwarzen Tee vermutet werden. Katalase und SOD hatten einen stabilisierenden Effekt auf EGCG und TF3, so dass beide Polyphenole zum Teil in höheren Konzentrationen nachweisbar waren als ohne Antioxidantien. Des Weiteren wurde mit dem Amplex Red Wasserstoffperoxid Test die durch EGCG und TF3, sowie grünen und schwarzen Tee generierte Menge an H2O2 gemessen. EGCG (1 und 10 μM), TF3 (0,5 und 2 μM), sowie grüner und schwarzer Tee (50 μl) wurden als Einmalgabe dem Organbad zugegeben und nach 1, 15 und 30 Minuten Proben entnommen. Bei grünem und schwarzem Tee sowie EGCG und TF3 war nach kurzer Zeit H2O2 nachweisbar, dessen Entstehung nach Vorbehandlung mit Katalase und SOD stark vermindert wurde. Es gibt darüber hinaus auch die Möglichkeit der Beteiligung weiterer ROS an der Vasodilatation. Aus den vorhandenen Ergebnissen kann auf einen extrazellulären Zerfall/Autooxidation der Teepolyphenole unter H2O2-Bildung geschlossen werden. Das extrazellulär gebildete H2O2 kann in die Zellen diffundieren und intrazellulär den PI3/AKT-Signalweg mit nachfolgender Phosphorylierung der eNOS und Vasodilatation auslösen. Die hier vorliegende Arbeit stützt damit die Vermutung, dass Teepolyphenole auch prooxidativ wirken können und trägt zum Verständnis der Mechanismen der Vasodilatation durch Teepolyphenole bei. Aufgrund der widersprüchlichen Ergebnisse bezüglich prooxidativer und antioxidativer Effekte von Teepolyphenolen bedarf es jedoch weiterführender Untersuchungen. Zudem muss der Frage nachgegangen werden, ob andere Inhaltsstoffe oder Metaboliten im grünen und schwarzen Tee die Vasodilatation vermitteln.Green and black tea are attributed to numerous health promoting effects on the cardiovascular system. In particular, the protection against arteriosclerosis, hypertension and the positive effect on vascular function is discussed. In addition, antioxidant effects of tea polyphenols have been described. In vitro, however, prooxidative effects of tea polyphenols have also been observed. They can be oxidized themselves and thereby form reactive oxygen species (ROS) like hydrogen peroxide (H2O2) and superoxide (O2.-). Some studies assume autooxidation of tea polyphenols with the formation of dimers/quinones, which has been demonstrated in vitro only. In this context, it is still unclear how the described vasodilatory effects of polyphenols are mediated. It is unknown if receptor-mediated signaling pathways are involved or if autooxidation with the formation of ROS takes place. In endothelial cells, epigallocatechin-3-gallate (EGCG) activates the endothelial nitric oxide synthase (eNOS) by phosphorylation of protein kinases that results in increased nitric oxide (NO) production and vasodilatation. Phosphatidylinositol-3-OH-kinase (PI3-kinase), cAMP-dependent protein kinase (PKA) and protein kinase B (AKT) were identified as protein kinases involved in this process. It is discussed whether the NO-mediated relaxation of the vessels is a redox-sensitive reaction that requires the presence of H2O2 and O2.-. These could trigger the PI3-kinase/AKT-dependent eNOS phosphorylation as an early signal. In the present work, the possible autooxidation with the formation of ROS as a trigger of the PI3/AKT kinase signaling pathway was investigated. Previous results on the autooxidation of EGCG were extended to green and black tea, as well as to theaflavin-3,3´-digallate (TF3) as a component of black tea. The investigations were carried out in several steps in order to verify the results with different methods. All investigations were done with the rat aortic ring model, an ex vivo experimental model, which simulates the in vivo situation in the blood vessels. To investigate the involvement of the ROS H2O2 and O2.- in the vasodilation of tea polyphenols, a single dose of superoxide dismutase (SOD, 500 U/ml), catalase (200 U/ml) or mangan(III)tetrakis(1-methyl-)porphyrine (MnTMPyP, 10 μM) was added to organ baths at the beginning of each experiment. Control rings were treated with water only. To measure vasodilation, every 30 minutes EGCG (0.1 - 10 μM), TF3 (0.02 - 2 μM), green or black tea (5 -50 μl, which correspond to about 5 μM EGCG or 0.06 μM TF3 at 50 μl) were given to organ baths. Tea polyphenol-induced vasodilatation in the aortic ring model was completely prevented by catalase, but was significantly enhanced by SOD in black tee and not significantly enhanced in EGCG, TF3 and green tea. The results suggest that H2O2 is a major cause of vasodilatation. The stability measurements of EGCG and TF3 revealed a possible autooxidation of tea polyphenols. EGCG (1 and 10 μM) and TF3 (0.5 and 2 μM) were added as a single dose to organ bath and sampled after 1, 15 and 30 minutes. Measurements of EGCG and TF3 concentrations through ultra-high-pressure liquid chromatography revealed a strong reduction over time and thus support the hypothesis of autooxidation. This may also be suspected for the tea polyphenols in green and black tea. Catalase and SOD had a stabilizing effect on EGCG and TF3, so that both polyphenols were partly detectable in higher concentrations than without antioxidant. Furthermore, the Amplex Red Hydrogen Peroxide Assay was used to measure the amount of H2O2 induced by EGCG and TF3, as well as green and black tea. EGCG (1 and 10 μM), TF3 (0.5 and 2 μM), as well as green and black tea (50 μl) were added as a single dose to the organ bath and sampled after 1, 15 and 30 minutes. By using green and black tea, as well as EGCG and TF3, H2O2 was measured within a short time, that was diminished by pretreatment with catalase and SOD. However, the involvement of further ROS in the process of vasodilatation cannot be excluded. From the present results, an extracellular decay/autooxidation of tea polyphenols with concurrent formation of H2O2 is concluded. These extracellular generated H2O2 can diffuse into the cells and trigger the PI3/AKT signaling pathway followed by phosphorylation of eNOS and vasodilatation. The present work thus supports the assumption of prooxidative effects of tea polyphenols and contributes to the understanding of the mechanisms of vasodilatation by tea polyphenols. However, due to the contrary results regarding the prooxidative and antioxidant effects of tea polyphenols, further investigations are needed. In addition, the question must be investigated whether other ingredients or metabolites in green and black tea mediate vasodilation