Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
H. Fiedler

Antioxidantien

Antioxidantien
Synonym(e)
Antioxidanzien; Antioxidationsmittel
Englischer Begriff
antioxidants
Definition
Antioxidantien sind chemische Verbindungen, die eine Oxidation anderer Substanzen verhindern oder verlangsamen und dabei selbst oxidiert werden und/oder Radikale abfangen. Im Organismus sollen reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS, Reaktive Sauerstoffspecies und Reaktive Stickstoffspecies) inaktiviert werden, bevor der oxidative und nitrosative Stress (Stress, oxidativer und Stress, nitrosativer) Schäden anrichtet. Reduktionsmittel, wie Ascorbinsäure oder Glutathion, werden eher oxidiert als die zu schützende Substanz. Antioxidationssynergisten regenerieren verbrauchte Antioxidantien, so wie durch Komplexierung von Metallionen oder Schaffung eines oxidationshemmenden pH-Wertes.
Beschreibung
Die Beseitigung des oxidativen Stresses in Zellen und Organen erfordert primär endogene antioxidative Enzyme. Superoxiddismutasen enthalten redoxaktive Schwermetalle (Isoenzyme mit Cu und Zn im Zytosol und Mn in Mitochondrien) und überführen Superoxidanionen in O2 und H2O2, letzteres wird in Peroxisomen durch Katalase oder Glutathionperoxidase zu H2O und O2 abgebaut. Peroxiredoxine reduzieren H2O2, organische Hydroperoxide und Peroxynitrit. Thioredoxine reduzieren und beseitigen ROS durch Thiol-Disulfid-Austausch und werden selbst durch Thioredoxinreduktasen wieder reduziert. Für die Aktivität vieler Enzyme ist Selen notwendig, sodass Mangelzustände zu erheblichen Schäden führen können. Paraoxonase (Isoform 1) (s. Paraoxonasen) inhibiert die Oxidation von HDL-Cholesterin und die Fettsäureperoxidation von LDL, bei Mangel oder Inaktivität des Enzyms werden Atherosklerose und diabetische Retinopathien verstärkt. In dem wichtigen antioxidativen Glutathion-System zerstören selenhaltige Glutathionperoxidasen (s. Glutathionperoxidase) Wasserstoffperoxid und Lipidhydroperoxide, letztere werden auch durch Glutathion-S-Transferasen angegriffen und ausgeschleust. Das Koenzym NADP muss in hydrierter Form vorhanden sein, sodass de Pentosephosphatweg (Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase), Isozitrat- und Glutamat-Dehydrogenase und metabolische Krankheiten mit antioxidativen Vorgängen assoziiert sind. Antioxidative Enzyme und Proteine werden durch basische Leuzinzipper-Transkriptionsfaktoren, wie Nrf2 („nuclear factor erythroid 2-related factor 2“), hochreguliert, indem sie an „antoxidant response elements“ in der Promoterregion von antioxidativen Genen binden (NADPH-Chinon-Oxidoreduktase, Sulfiredoxin 1 und Thioredoxin-Reduktase 1). Glutathionreduktase wird in Zellen mit oxidativem Stress, besonders Erythrozyten, hochreguliert und sorgt dafür, dass Glutathion zu 90 % in reduzierter Form vorliegt. Die Bestimmung der Glutathionreduktase durch NADPH-Verbrauch oder GSH-Bildung ist ein Indikator für (anti)oxidativen Stress.
Wasserlösliche antioxidative Metabolite wirken vorwiegend im Zytosol und Plasma. Dazu zählen Chelate (Transferrin, Laktoferrin, Coeruloplasmin), da sie die Beteiligung von Übergangsmetallen (Fe, Cu) an Oxidationsvorgängen hindern. Plasma-Albumin bindet etwa 80 % der freien Radikale. Glutathion in reduzierter Form ist infolge seiner hohen intrazellulären Konzentration (1-10 mmol/L, Redoxpotential -240 mV) eines der wichtigsten Antioxidantien und sorgt auch für die Erhaltung der aktiven SH-Form von Enzymen (Glutathionperoxidase, Glutredoxin) und anderer Metabolite (Askorbinsäure, Vitamin C). Metallothionein bindet Superoxid und Hydroxylradikal. Weitere hydrophile Metabolite sind Harnsäure (konzentrationsabhängig), Melatonin (passiert die Blut-Hirn-Schranke und neutralisiert Wasserstoffperoxid, Superoxid und Peroxynitrit im Gehirn), Bilirubin/Biliverdin (der Redoxzyklus verstärkt die Wirkung 100fach), sowie konzentrationsabhängig α-Liponsäure, Carnitin/Carnosin und (Hypo) Taurin.
Lipid-lösliche Antioxidantien, wie Ubichinon und Vitamin E und Vitamin A, schützen Membranen vor Oxidation, indem sie mit Lipidradikalen reagieren und durch andere Antioxidantien, wie Askorbinsäure oder Ubichinol, regeneriert werden. Tierexperimente und erste klinische Studien verweisen auf molekularen Wasserstoff als Radikalfänger (·OH und ONOO), Antioxidans bzw. Regulator von antioxidativen Genen und soll immunsuppressive und antiallergische Wirkungen besitzen.
Exogene Antioxidantien werden mit der Nahrung oder als Nahrungsergänzungsmittel zugeführt: Vitamine E/A und C, Karotinoide, Polyphenole in Gemüse und Obst, Olivenöl, grüner Tee und viele andere. Die Zufuhr von größeren Mengen von einzelnen Antioxidantien oder Multivitaminen zur Prävention von Krankheiten und Karzinomen oder zur Lebensverlängerung hat in klinischen Studien nicht die gewünschten Ergebnisse gebracht. Einige Studien gehen von einem antioxidativen Stress aus (Reduzierung von oxidativem burst und der Immunantwort von Th1-Zellen und/oder Stärkung der Th2-Zellen) und sehen Assoziationen mit atopischen Krankheiten und Asthma. Deshalb sind Empfehlungen (teilweise auch in den Leitlinien) auf eine ausgewogene und energiebeschränkte Ernährung ausgerichtet. Die darin enthaltenen Antioxidantien können sich untereinander positiv oder negativ beeinflussen und besitzen funktionell auch noch andere (pleiotrope) Wirkungen. Die Bioverfügbarkeit der nutritiven Antioxidantien ist oft an den Orten des oxidativen Stresses zu gering, denn die oralen Supplemente verteilen sich nach der Resorption zunächst systemisch und sind nicht in den betroffenen Organe und Zellen konzentriert. Außerdem haben viele ROS, besonders die Radikale, so kurze Halbwertszeiten, dass ihre schädigenden Wirkungen oft bereits eingetreten sind, bevor die Antioxidantien sie ausschalten können. Weiterhin kann ein redoxaktives Antioxidans in spezieller intrazellulärer Umgebung (pH-Wert, Fenton-Reaktion durch Übergangsmetalle, veränderte Proteine) zu prooxidativen Reaktionen führen.
Therapeutisch werden Radikalfänger als Radioprotektoren angewendet (erstmals bei den Atombombenversuchen). Zugelassen ist das phosphorylierte 2-[(3-Aminopropyl)amino]-ethanthiol (Amifostin), das in normalen Zellen schneller zur Wirkform dephosphoryliert wird als in Krebszellen. Das Monitoring erfolgt mit Elektronenspinresonanz, ES-MS oder einem Comet-Assay. In klinischen Studien werden modifizierte Antioxidantien erprobt: Superoxiddismutase-Mimetika sind Mn-, Fe- oder Cu-Komplexe mit längerer Halbwertszeit und höherer In-vivo-Stabilität. Durch Kopplung von Ubichinon an lipophile Kationen wird MitoQ in Mitochondrien ca. 100-fach angereichert und kann deren oxidative Schädigung reduzieren.
Die Messung des antioxidativen Status erfolgt in mehreren Stufen:
  • Die Aktivitäten und Konzentrationen der antioxidativen Enzyme werden im Plasma oder Gewebe mit bekannten und standardisierten Methoden gemessen.
  • Ebenso sind Methoden zur Bestimmung der Konzentrationen von antioxidativen Metaboliten, Vitaminen, Spurenelementen und einigen sekundären Pflanzenstoffen in Urin, Plasma und Gewebe gut bekannt. Erniedrigte Werte sind ein Hinweis auf Mangelzustände und/oder Schädigungen und sollten unter Kontrolle supplementiert werden.
  • Im Hinblick auf die exogenen Antioxidantien wurden besonders von der Lebensmittelchemie zahlreiche Methoden für die gesamte antioxidative Kapazität entwickelt („total antioxidant capacity“). „Total peroxyl radical-trapping antioxidant parameter“ (TRAP) und „oxygen radical absorbance capacity“ (ORAC) messen die Verhinderung der Oxidation einer fluoreszierenden Sonde. Weitere Tests: FRAP (ferric reducing ability of plasma), CUPRAC (Cu-Neocuprein-Reagenz) und ImAnOx-Assayb(Verbrauch von Wasserstoffperoxid in einer bestimmten Zeit). Eine zweite Gruppe der Methoden prüft, wie effektiv eine Probe selbst eine Sonde reduzieren kann, wie in der „trolox equivalent antioxidant capacity“ (TEAC mit dem Vitamin-E-Analogon Trolox als Standard) oder mit dem crocin bleaching assay. Die Peroxidation von polyungesättigten Fettsäuren in LDL oder Liposomen beginnt erst, wenn die Antioxidantien verbraucht sind. Die gemessene „lag-time“ bis zum Anstieg der Absorption bei 234 nm ist umso kürzer, je niedriger die antioxidative Kapazität der LDL ist und korreliert mit fortschreitender Sklerose der Koronarien und Karotiden. Mittels Photolumineszenz kann das Abfangen des Superoxidanionradikals durch eine Probe quantifiziert werden. Das Folin-Ciocalteu-Reagenz wird für In-vitro-Assays von (poly)phenolischen Antioxidantien verwendet, erfasst aber auch Thiole, Vitamine, Guanin und Triosen. Diese Methoden ermöglichen nur eine grobe Einschätzung über den Redoxstatus des Plasmas oder Systems, erlauben aber keine Aussage über die Prävention oxidativer Schädigungen. Nichtinvasiv kann an spezifischen Hautarealen der antioxidative Status (z. B. der Karotinoide) mit Raman-Spektroskopie oder Reflexionsspektroskopie gemessen werden.
Literatur
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