Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Peter Dziallas

Prüfung der immunmodulatorischen Wirkung von Coffea praeparata und Koffein

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106339

title (engl.)

Examination of the immunomodulatory effect of Coffea praeparata and caffeine

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/dziallasp_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Koffein ist eine der am häufigsten konsumierten pharmakologisch wirksamen Substanzen. In Genussmitteln ist es weit verbreitet. Mit der Zeit wurden seine Wirkungsmechanismen und Auswirkungen für die unterschiedlichen Organsysteme erforscht und so auch für therapeutische Zwecke nutzbar gemacht. Der Einsatz von koffeinhaltigen Arzneien und weiterer Agonisten/Antagonisten seines wichtigsten Rezeptors, des Adenosinrezeptors, steigt stetig. Dies gilt auch für die Tiermedizin. Medikamente, die Koffein oder dessen Metabolite enthalten, werden bei Erkrankungen der Atemwege, bei Durchfall, allgemeinen Störungen des Allgemeinbefindens, Fressunlust, Kreislaufstörungen oder bei fieberhaften Erkrankungen eingesetzt. Ziel dieser Studie ist es, den Einfluss einer Koffeinapplikation und der Applikation von Coffea praeparata, eines Decoctums aus Coffea arabica tosta, für das Immunsystem des Schweins zu untersuchen. Dabei lag ein Hauptaugenmerk darauf, ob Koffein der pharmakologisch wirksame Hauptbestandteil von Coffea praeparata ist und zu vergleichbaren Ergebnissen wie Koffein in Reinsubstanz führt.

Hierzu wurden unterschiedliche Aspekte der Leukozytenfunktion und deren Beeinflussung durch Coffea praeparata und Koffein näher untersucht. Da Koffein einen seiner Wirkungswege über die Antagonisierung der Adenosinrezeptoren (insbesondere A2a) entfaltet, wurde dargestellt, dass der Adenosinrezeptor Typ A2a auf porzinen Immunzellen exprimiert wird. Die Untersuchung des Zellbildes lieferte das Ergebnis, dass Coffea praeparata und Koffein in der Lage sind, die Monozytenzellzahl und die Anzahl der neutrophilen Granulozyten des peripheren Blutes bei mehrmaliger Applikation zu steigern. Hierbei wurde der prozentuale Anteil der Monozyten am Blut um das 3-fache gesteigert, die absolute Menge der Monozyten stieg sogar um das 4-fache. Die L-Selektin-Produktion wurde als Marker für die Anheftung an die Zellwand genutzt. Coffea praeparata steigerte die Expression von L-Selektinen ex vivo signifikant um 17 %; dieser Effekt war bei Langzeitadministration allerdings nicht mehr nachweisbar. Auf die Diapedese, gemessen mittels Transmigrationsessays, hatten jedoch sowohl Coffea praeparata als auch Koffein keinen nachweisbaren Effekt. Coffea praeparata und Koffein führten jedoch zu einer verstärkten Proliferation von mononukleären Zellen sowohl nach einmaliger, wie auch nach mehrmaliger Gabe. Um die Leukozytenfunktion nach Gabe von Coffea praeparata und Koffein darzustellen, wurde die Fähigkeit der Zellen, Phagozytose zu betreiben, geprüft. Nach einmaliger Gabe von Coffea praeparata zeigte sich eine Reduzierung der  Phagozytoseleistung um 38 %, bei Koffein wurde diese Reduzierung nur für die Menge der aufgenommenen Bakterien erreicht. Dieser Effekt war nach mehrmaliger Applikation nicht mehr nachzuweisen. Um die Art der modulatorischen Wirkungen besser einschätzen zu können, wurde die Genexpression einiger Enzyme und Zytokine nach Gabe von Coffea praeparata von gemessen. Dabei zeigte sich eine signifikante Reduzierung der Genexpression von Prostaglandin-G/H-Synthase- 2 um das 4-fache und TNF-α um 38 %. Die Expression von IL-6 und Arachidonat-5-Lipoxygenase wurde nicht beeinflusst.

Es zeigte sich, dass Koffein und Coffea praeparata in der Ausprägung ihrer Wirkungsweisen unterschiedlich waren. Teilweise waren homologe Tendenzen und Ergebnisse darzustellen. Teilweise entfaltete Coffea praeparata eine immunmodulatorische Wirkung, wohingegen die Reinsubstanz in derselben Konzentration an Koffein keine nachweisbaren Effekte aufwies. Dies führt zu der Erkenntnis, dass, bezogen auf das Immunsystem, Koffein alleine für die Wirkungsweise des Coffea praeparata nicht in Betracht kommt, sondern vielmehr die Wechselwirkungen der Zusammensetzung des Decoctums, in der eine Steigerung der Koffeinwirkung zu liegen scheint. Viele humanmedizinische Studien arbeiteten ebenfalls nicht mit der Reinsubstanz Koffein, sondern mit Kaffee, was der Tatsache geschuldet ist, dass Kaffee einen weit verbreiteten Einsatz erfährt.

Im Tierversuch und den In-vitro-Versuchen konnte aufgezeigt werden, dass Coffea praeparata, und in schwächerer Ausprägung Koffein, in der Lage ist, einige Bereiche der Leukozytenfunktion bei gegebenen Dosierungen zu beeinflussen. Viele dieser Beeinflussungen waren nach einmaliger Gabe ausgeprägter oder konnten nach Langzeitadministration nicht mehr nachgewiesen werden, wie etwa die signifikant gesteigerte L-Selektin-Expression um 17 % oder die signifikant verminderte Phagozytoseleistung. Es kann geschlussfolgert werden, dass sich bei Langzeitadministration Gewöhnungseffekte ergaben. Andere Auswirkungen verstärkten sich mit Dauer der Gabe, hier insbesondere die Erhöhung der Monozytenzahlen, die Steigerung der Granulozytenzahlen im Blut und der hemmende Effekt auf die Produktion von TNF-α und PGHS-2. Die hier gewonnenen Erkenntnisse decken sich mit Untersuchungen, welche für die Maus und den Menschen bereits bekannt sind. Coffea praeparata und Koffein als Reinsubstanz scheint in Homologie aller bisher erfolgten Studien, seine protektiven Effekte über die anti-inflammatorische Wirkung zu vermitteln. Es wäre wünschenswert, wenn weitere pharmakologisch wirksame Inhaltsstoffe des Coffea praeparata auf ihre Auswirkungen auf das Immunsystem untersucht werten würden, um so die genauen Wirkungsmechanismen zu charakterisieren. Es ist damit zu rechnen, dass der Einsatz von Coffea praeparata und anderer koffeinhaltiger Substanzen in der Veterinärmedizin weiter zunimmt.

abstract (englisch)

Caffeine is one of the most commonly consumed pharmacologically active substances. It has a widespread distribution in luxury foods. In the course of time, its mechanisms of action and implications for a variety of organ systems have been investigated and harnessed for therapeutic purposes. The use of caffeine-containing drugs and other agonists/antagonists of its main receptor, the adenosine receptor, increase steadily. This also applies to veterinary medicine. The aim of this study was to investigate the effects of caffeine application and the application of Coffea praeparata, a Decoctums from Coffea arabica tosta on the porcine immune system. One major focus was to identify whether caffeine is the main pharmacologically active component of Coffea praeparata resulting in comparable results between both substances. Different aspects of leukocyte function and their possible modulation by Coffea praeparata and caffeine were examined. Since caffeine unfolds some of its effect via the antagonism of the adenosine receptors (particularly A2a), it was demonstrated in this study by flow cytometry that the adenosine A2a receptor is expressed on porcine immune cells. The investigation of blood cell counts revealed that Coffea praeparata and caffeine are able to increase peripheral blood monocyte and neutrophile numbers after repeated application in vivo. Percentages of monocytes in peripheral blood were increased about 3 fold, the numbers of circulating monocytes increased 4-fold. L-selectin expression was used as a marker for the attachment to the cell wall. Coffea praeparata significantly increased the expression of L-selectin ex vivo by 17%. This effect was no longer seen after long-term administration in vivo. However, both Coffea praeparata and caffeine had no detectable effect on the in vitro migration of PMN’s. After single and repeated administration of Coffea praeparata and caffeine in vivo, mononuclear cells displayed an enhanced proliferation response towards stimulation with ConA. Coffea praeparata resulted in a 38% reduced phagocytosis capacity after single administration. Caffeine administration did not affect the percentage of phagocytosing neutrophils but reduced the amount of phagocytosed bacteria per cell. Both effects were no longer detectable after repeated application. In order to address the nature of the modulatory effects, mRNA expression of selected enzymes and cytokines of blood leukocytes was measured after administration of Coffea praeparata. This resulted in a significant reduction of prostaglandin G/H synthase-2 mRNA expression (4 times less) and a reduction of TNF-α mRNA expression by 38%. The mRNA expression of IL-6 and arachidonate 5-lipoxygenase was not affected.

It could be shown that caffeine and Coffea praeparata acted differently regarding effectiveness and modes of action. Partially homologous trends and results could be observed. Coffea praeparata exerted some immunomodulatory effects, whereas the pure substance, caffeine, had no detectable effects. This leads to the assumption that the observed immunomodulatory effects are due to the combined action and interactions between different components of the Decoctum.

The in vivo/ex vivo experiments and some in vitro experiments of this study demonstrated that Coffea praeparata, and to a weaker extend, caffeine, can have influences on selected leukocyte functions at given dosages. Many of these effects were more pronounced after a single dose and could no longer be detected after long-term administration (e.g. increased L-selectin expression or decreased phagocytosis). The reason for this may be due to habituation effects during long-term administration. On the other hand, some effects increased with prolonged administration, especially the increase in blood monocyte and neutrophile cell counts, and the inhibitory effects on leukocytes TNF-α and PGHS-2 mRNA expression. The results of this porcine study are consistent with studies in the human and murine system.. In homology to these previous studies Coffea praeparata, and to a lesser extent caffeine, seems to convey its protective effects in pigs by favoring more anti-inflammatory pathways.

For a better characterization of the precise mechanisms it would be desirable to evaluate further pharmacologically active ingredients of Coffea praeparata.

It is anticipated that the use of Coffea praeparata and other caffeinated (or their derivatives such as theophylline) substances in veterinary medicine continues to grow.

keywords

Koffein, Adenosin, Immunsystem; caffeine, adenosine, immune system

kb

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