Die Leber spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung des metabolischen Gleichgewichts. Akutes Leberversagen ist daher lebensbedrohlich. Relativ wenig ist bekannt, wie metabolische Funktionen während und nach Leberschädigung aufrechterhalten werden. Die Ziele dieser Arbeit waren daher 1) metabolische Veränderungen der Leber der Maus während Leberschädigung- und Regeneration zu untersuchen, 2) die Ammoniak-Entgiftung zu modellieren, 3) die Veränderungen der metabolischen Zonierung des Leberläppchens während Leberschädigung und Regeneration zu berücksichtigen, 4) mögliche Kompensationsmechanismen während der Schädigungs- und Regenerationsphase zu identifizieren. Für diese Untersuchungen wurden Mäuse eingesetzt, denen Tetrachlorkohlenstoff (CCl4) zur Verursachung eines akuten Leberschadens injiziert wurde. Für den Ammoniakstoffwechsel relevante Parameter wurden Zeit- und Dosisabhängig nach Injektion von CCl4 erfasst: Ammoniak, Harnstoff, Glutamin, Glutamat, Glucose, Laktat, Pyruvat, Alanin, und alpha-Ketoglutarat. Diese Analysen wurden durchgeführt in Blut aus a) der Portalvene, welche den Lebereingang repräsentiert, b) der Lebervene als Leberausfluss und c) der rechten Herzkammer, um auch gemischt venöses Blut zu erfassen.Um die komplexen Vorgänge des Ammoniakstoffwechsels quantitativ erfassen zu können, wurde ein metabolisches Modell eingesetzt. Vorhersagen dieses metabolischen Modells (welches alle zur Zeit wesentlichen Prozesse des Ammoniakstoffwechsels einschließt) wurden mit den experimentellen Daten verglichen. Nach mehreren Zyklen von Experimenten und Modellierung wurde hierbei gezeigt, dass die bisher bekannten Mechanismen nicht ausreichen, den Ammoniakstoffwechsel während Leberschädigung quantitativ zu beschreiben. Vielmehr wurde der folgende Mechanismus identifiziert, welcher für das Verständnis der gesamten Situation wesentlich ist: nach Leberschädigung setzen geschädigte Hepatozyten neben zahlreichen weiteren Proteinen Glutamatdehydrogenase (GDH) in dem systemischen Blutkreislauf frei. Sobald die Ammoniakkonzentrationen im Blut ansteigen, findet eine GDH-Reaktion in umgekehrter Richtung statt. Bei dieser Reaktion wird der toxische Ammoniak dadurch entgiftet, dass er mit Ammoniak zum relativ untoxischen Glutamat verbunden wird. Ein neuer Aspekt ist hierbei, dass Ammoniakentgiftung in Folge der GDH-Freisetzung nicht nur in der Leber, sondern auch systemisch im Blut stattfindet. Allerdings kann diese entgiftende Reaktion im Blut nur so lange stattfinden, bis das dort vorhandene alpha-Ketoglutarat durch die GDH-Reaktion verbraucht wurde. Diese Beobachtung ist möglicherweise von klinischer Relevanz. Denn sobald die alpha-Ketoglutarat Konzentration in der Leber als Folge der GDH-Reaktion absinkt, könnte es therapeutisch substituiert werden. Dieser Mechanismus der reversen GDH-Reaktion wurde bei Experimenten mit Plasma von Mäuse und mit kultivierten Hepatozyten der Maus beobachtet. Nach Verabreichung von CCl4 an Mäusen wurde eine transiente Zunahme von GDH im Plasma beobachtet. Dies ging einher mit einer sehr starken Abnahme des alpha-Ketoglutarat. Falls Plasma in diesem Zustand Mäusen entnommen wurde, konnte Ammoniak-Entgiftung zu Glutatmat nur dann beobachtet werden, nachdem alpha-Ketoglutarat zugesetzt worden war. Weiterhin konnten im Plasma sowohl die Ammoniakentgiftung, als auch die Bildung von Glutamat durch den GDH-Inhibitor 2,6 Pyridine dicarboxylsäure (PDAC) gehemmt werden. In kultivierten Hepatozyten steigerte PDAC die Toxizität des Ammoniaks. Bemerkenswert ist, dass kultivierte Hepatozyten nur bei hohen Ammoniakkonzentrationen im Kulturmedium Ammoniak zu Glutamat entgifteten. Bei niedrigen Konzentrationen gaben Hepatozyten sogar noch Ammoniak in das Kulturmedium ab. Auch diese Beobachtung passt zur Hypothese des GDH switch , wobei GDH bei niedrigen Ammoniakkonzentrationen Ammoniak produziert, hingegen bei hohen Konzentrationen konsumiert. Leberschädigung mit CCl4 verursachte eine transiente Störung der metabolischen Zonierung des Läppchens. Zum Beispiel wurde eine verzögerte Erholung des perizentralen Markers Glutaminsynthetase beobachtet. Im Gegensatz hierzu dehnte das normalerweise auf die periportale Region begrenzte Enzym Carbamoylphosphat-Synthetase sein Territorium auf das gesamte Leberläppchen aus. Dies wurde zwischen Tag 4 und 6 nach Intoxikation mit CCl4 beobachtet. Nachdem sämtliche neue Mechanismen im Modell berücksichtigt wurden, ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen der Modellsimulation und den experimentellen Daten. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Leber nach akuter Schädigung einen systemischen Schutz gegen Hyperammonämie durch Freisetzung von GDH vermittelt. Eine mögliche klinische Relevanz dieser Beobachtung besteht darin, dass alpha-Ketoglutarat im Plasma therapeutisch substituiert werden könnte, sobald es durch die GDH Reaktion verbraucht worden ist.
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