Die humane Makula lutea enthält 3 Carotinoide: Lutein, Zeaxanhin und meso-Zeaxanthin. Die humane Netzhaut ist äußerst oxidationsempfindlich. Dies hat strukturelle Gründe: die hohe Anzahl an ungesättigten Fettsäuren. Die Carotinoide wirken hier schützend gegen freie Radikale.1
Carotinoide gehören zur Gruppe der Phytochemikalien. Sie sind Lipochrome und besitzen ein Tetraterpen-Grundgerüst. Sie bestehen aus ungesättigten Kohlenstoffatomketten und unterscheiden sich untereinander durch Oxidation und Hydrierung. Carotinoide werden weiter unterteilt in Carotine und Xanthophylle. Die Carotine enthalten Hydrocarbon und die Xanthophylle Sauerstoffatome. Die Xantophylle (Lutein und Zeaxanthin) machen 20-30% der Carotinoide im humanen Serum und 80-90% der Carotinoide in der humanen Retina aus. Carotinoide wirken absorbierend auf Licht der Wellenlänge 400-500 Nanometer.1
Lutein und Zeaxanthin können dem menschlichen Körper über bestimmte Nahrungsmittel zugeführt werden. Grünblättriges Gemüse, orangefarbene und gelbe Früchte stellen wichtige Quellen für Lutein und Zeaxanthin dar. Meso-Zeaxanthin wird über metabolische Prozesse der Makula aus den über die Nahrung aufgenommenen Carotinoiden hergestellt.
Epidemiologische Studien und groß angelegte klinische Versuche wie die ARED2 rücken die Wichtigkeit dieser 3 Carotinoide, die man in Form von Tabletten oder durch spezielle Diäten aufnehmen kann, für die Sehkraft in den Fokus.
Die Funktion der Carotinoide als Antioxidantien hat morphologische Gründe: Die konjugierte Kohlenstoff-Doppelverbindung fängt reaktive Sauerstoffspezies (ROS) ab. Die ROS führen zu Protein- und Lipidperoxidation.2
Das RPE besitzt eine zentrale Rolle für die Homöostase und Unversehrtheit der Retina. RPE-Zellen sind entscheidend am Immunprivileg des Auges beteiligt. Sie phagozytieren die abgestoßenen Membranen der Photorezeptor-Außensegmente und besitzen wichtige Funktion im transepithelialen Nährstofftransport.3
Die Blut-Retina-Schranke wird durch die RPE-Zellen und die Endothelzellen der Blutgefäße der Retina aufrechterhalten. Das RPE kontrolliert den Fluss von Nährstoffen, Metaboliten und Flüssigkeit zwischen der Choroidea und der äußeren Netzhaut.3
Es gewährleistet darüber hinaus die retinale Integrität und das Überleben der Photorezeptoren, die in den apikalen Bereich des RPEs eingebettet sind. Die Photorezeptoren und das RPE sind funktionell miteinander verbunden. Rund 23 foveale Zapfen können mit einer RPE-Zelle interagieren. Das RPE wandelt das beim Sehzyklus entstandene All-trans-Retinal in 11-cis-Retinal um und stellt dies dann den Photorezeptoren zur Verfügung. Beim Abbau der Photorezeptor-Außensegmente entstehen Lipofuszin-Granula. Die Akkumulation von Lipofuszin-Granula im RPE spielt eine wichtige Rolle bei der AMD.3
Eine hohe metabolische Aktivität und die Lichtexposition führen zu oxidativem Stress. Pathogenetisch relevant für die altersbedingte Makuladegeneration und weitere neovaskuläre Retinopathien (Frühgeborenen-Retinopathie und diabetische Retinopathie) ist die oxidative RPE-Schädigung. Erschwerend hinzukommend ist eine Beeinträchtigung des transepithelialen Transports durch morphologische Veränderungen der Bruch-Membran (Lipideinlagerung, Kollagenveränderung).3,4
Carotinoide spielen eine wichtige Rolle für die Retina. RPE-Zellen nehmen die Xanthophylle Lutein und Zeaxanthin in die Makula auf und transportieren sie in die Photorezeptoren. Die photo-protektiven und antioxidativen Eigenschaften dieser Xanthophylle machen sie so wichtig für den Schutz der Makula.2,3
In einer Studie aus dem Jahr 2017 wurden die schützenden Effekte der Carotinoide für das RPE untersucht. Die RPE-Zellen wurden hierfür Hypoxie oder oxidativem Stress ausgesetzt. Die Forschungsgruppe verwendete ein in vitro Modell mit vom RPE abstammenden ARPE-19 Zellen. Diese wurden zuerst mit verschiedenen Carotinoid-Konzentrationen in Kontakt gebracht, bevor sie Hypoxie oder oxidativem Stress durch tert-butyl Hydroperoxid (tBHP) ausgesetzt wurden.
Eine Vorbehandlung der ARPE-19 Zellen mit Lutein und Lycopin wirkte protektiv gegen den tBHP-induzierten Zellverlust. Eine gleichzeitige Exposition der Zellen gegenüber tBHP (bis zu 500 µM) und Lutein oder Lycopin führte zur Neutralisation des tBHP-induzierten Zelltodes.5,6
Ähnliche Ergebnisse zeigte eine weitere Carotinoid-Studie aus dem Jahr 2016: ARPE-19 Zellen wurden unter Stress gesetzt: tBHP/Hypoxiekammer. Unter hypoxischen Bedingungen führte eine Vorbehandlung mit Zeaxanthin und Lycopin zu einer geringeren RPE-Zellproliferation. Wurden die ARPE-19 Zellen gleichzeitig tBHP und Lutein ausgesetzt, so kam es durch das schützende Lutein zu einer signifikant geringeren Zunahme an intrazellulären reaktiven Sauerstoffspezies. Lutein hemmt die Proliferation und fördert die Differenzierung von humanen RPE-Zellen. Es schützt die RPE-Zellen vor oxidativem Stress und besitzt dadurch eine essentielle Bedeutung für die Therapie der altersbedingten Makuladegeneration.7
Referenzen:
1. Ahmed S.S. et al. (2005).The Macular Xanthophylls. Surv Ophthalmol. 2005 Mar-Apr;50(2):183-93.
2. Bernstein P. S. et al. (2016). Lutein, Zeaxanthin, and meso-Zeaxanthin: The Basic and Clinical Science Underlying Carotenoid-based Nutritional Interventions against Ocular Disease.
3. Strauß O. et al. (2009). Das retinale Pigmentepithel. Der Ophthalmologe. Vol. 106. 297-298.
4. Ambati J. et al. (2012). Mechanisms of age-related macular degeneration. Neuron. 75 (1): 26-39. 6, 100.
5. Gong X. et al. (2017). Effects of the Macular Carotenoid Lutein in Human Retinal Pigment Epithelial Cells. Antioxidants. MDPI.
6. Rabin D. et al. (2013). Chronic oxidative stress upregulates Drusen-related protein expression in adult human RPE stem cell-derived RPE cells: A novel culture model for dry AMD. Aging (Albany NY). 5(1): 51–66.
7. Allison G. et al. (2016). Lutein Protects the Retinal Pigment Epithelium Against Hypoxic and Oxidative Stress: In Vitro Studies. FASEB. Abstract Number 931.3.