Die Bedeutung von Selenonein im humanen Selenmetabolismus

Die Supplementation mit Selen wird mit einer Vielzahl an positiven Auswirkungen auf die Gesundheit in Verbindung gebracht. Der therapeutisch wirksame Bereich von Selen ist jedoch eng und es ist derzeit unklar, welche Selenverbindungen für die positive Gesundheitseffekte verantwortlich sind. Die Ergebnisse bislang durchgeführter Supplementationsstudien sind unterschiedlich und unterstreichen die Notwendigkeit, die zugeführte Form von Selen zu kennen. Nur so ist es möglich, den Metabolismus sowie etwaige resultierende gesundheitsfördernde bzw. toxische Wirkungen zu verstehen. Vor kurzem wurde Selenonein, das Selenanaloge der Schwefelverbindung Ergothionein, eines in Zellen ubiquitären mutmaßlichen Antioxidans, als neue natürlich vorkommende Selenverbindung entdeckt. Selenonein ist eine der Hauptselenverbindungen in marinem Fisch. Ziel dieses gemeinsamen Projektes zwischen dem Institut für Chemie an der Karl-Franzens-Universität Graz und dem Institut für Ernährungswissenschaft an der Universität Potsdam ist die Erforschung der Bedeutung von Selenonein und seinem humanen Metaboliten Se-Methylselenonein für den menschlichen Selenmetabolismus sowie für die gesundheitsfördernde Wirkung von Selen. Da keine der beiden Verbindungen kommerziell erhältlich ist, werden diese in einem ersten Schritt in Anlehnung an Verfahren zur Herstellung der entsprechenden Schwefelanalogen synthetisiert werden. Durch die chemische Synthese werden erstmals beide Verbindungen in der entsprechenden Reinheit und Menge zur Verfügung stehen, die für eine eingehende Untersuchung ihrer Bedeutung für den menschlichen Selenmetabolismus erforderlich ist. Mit den synthetisieren Verbindungen wird eine robuste Analysenmethode auf Basis der Hochleistungsflüssigchromatographie in Verbindung mit induktiv gekoppelter Plasma Massenspektrometrie (HPLC/ICPMS) für deren Bestimmung in komplexen Probenmatrices wie Blut und Urin entwickelt werden, die zum eindeutigen Nachweis der Verbindungen auch mit molekularen massenspektrometrischen Verfahren kompatibel sein muss. Da Selenonein leicht oxidierbar ist, wird besonderes Augenmerk auf die Entwicklung eines schnellen und quantitativen auf Reduktion und anschließender Derivatisierung basierenden Probenvorbereitungs- verfahrens gelegt werden. Die synthetisierten Verbindungen werden im Zuge von in vitro Studien mit Säugetierzellkulturen (Caco-2 Darmzellen, HEPG2 Leberzellen und LUHMES Zellen, Endothelzellen und Plexus-Choroideus Zellen) und ersten in vivo Studien im Fadenwurm C. elegans im Hinblick auf ihre Bioverfügbarkeit, ihren Metabolismus, sowieihre Toxizität bzw.potentiellen gesundheitsschützenden Wirkungen untersucht werden. Die Totalselenkonzentrationen sowie Selenmetaboliten in den Säugetierzellen, in C. elegans und in den Zellkulturmedien werden am Ende der Studien mit der zu Beginn entwickelten Analysenmethode untersucht werden. Die Ergebnisse des Projektes werden einen Einblick in die gesundheitlichen und toxischen Wirkungen sowie den Humanmetabolismus dieser beiden neu entdeckten Verbindungen des essentiellen Spurenelementes Selen geben und helfen, deren Beitrag zu den dem Selen zugeschriebenen positiven Auswirkungen auf die Gesundheit zu beleuchten.

Das essentielle Spurenelement Selen und seine Spezies sind von großer gesundheitlicher Bedeutung. Daher ist die Untersuchung der Wirkung und des Metabolismus kleiner, nicht proteingebundener Selenspezies, wie sie z.B. in der Nahrung vorkommen, wichtig. Im Fokus des Projektes war die in Meeresfisch enthaltene Spezies Selenonein, das Selenanaloge der natürlich vorkommenden Schwefelspezies Ergothionein, der antioxidative Wirkungen zugeschrieben werden. Da im Falle von Selenonein ähnliche Eigenschaften diskutiert werden, sind Forschungen hinsichtlich seiner Gesundheitsaspekte wichtig. Diese wurden jedoch bislang durch das Fehlen eines Zuganges zur für derartige Untersuchungen notwendigen reinen Spezies erschwert. Ziel des Projektes war die Synthese von reinem Selenonein in ausreichender Menge, die Entwicklung robuster analytischer Methoden für seine Bestimmung sowie die Bestimmung seiner Metabolite in komplexen biologischen Proben und seine Charakterisierung im Hinblick auf seine gesundheitliche Wirkungen und seinen Stoffwechsel in Zellkultursystemen und einem Modellorganismus, dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Da eine chemische Synthese im ersten Projektjahr nicht möglich war, wurde Selenonein alternativ aus genetisch modifizierter Spalthefe isoliert. Diese erfolgreiche Isolierung ermöglichte erstmals die Bereitstellung von Selenonein in einer Reinheit und Menge, die eine Charakterisierung seiner toxikologischen und protektiven Wirkungen möglich machte. Um die Konzentration von Selenonein und seinen Metaboliten im Vergleich mit anderen kleinen Selenspezies und Ergothionein in den toxikologischen Tests und in anderen komplexen Proben wie menschlichen Körperflüssigkeiten zu bestimmen, wurden entsprechende analytische Methoden entwickelt. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung einer Methode zur simultanen Bestimmung von Selen- und Schwefelspezies in komplexen Matrices wie menschlichen Blutkörperchen gelegt. Die in vitro und in vivo Experimente zur Charakterisierung von Selenonein im Vergleich mit anderen kleinen Selenspezies und Ergothionein brachten neue Erkenntnisse hinsichtlich der protektiven Effekte von Selenonein sowie seines Transportes über die Darmbarriere bzw. Blut-Hirn-Schranke. So konnte eine Methylierung von Selenonein beim Übertritt durch die Darmbarriere im Zellkulturmodell nachgewiesen werden. Weiters wurden neue Metabolite der Referenzspezies Se-Methylselenocystein und Selenomethionin in menschlichen Leberzellen und dem Fadenwurm C. elegans identifiziert. Zusammenfassend hat die Isolierung von Selenonein aus der Spalthefe zu signifikanten Fortschritten bei der toxikologischen, protektiven und metabolischen Charakterisierung dieser potentiell gesundheitsfördernden Selenspezies geführt. Die im Zuge des Projektes entwickelten analytischen Methoden werden in Zukunft zur Bearbeitung von Fragestellungen weit über den Rahmen dieses Projektes hinaus Anwendung finden.