Pharmakologische Modifikation des zellulären Eisentransports

Störungen des Eisenstoffwechsel stellen ein häufiges gesundheitliches Problem dar. Während Eisenmangel und eine daraus resultierende Blutarmut weltweit über 10% der Menschen betreffen, führt eine der häufigsten Erbkrankheiten in unseren Breiten, die genetische Hämochromatose, ebenso wie multiple Transfusionen aufgrund von Blutbildungsstörungen, zu einer chronischen Eisenüberladung und damit zu einer fortschreitenden Schädigung von Organe wie Leber, Herz oder Bauchspeicheldrüse. In den letzten Jahren konnten zahlreiche Proteine identifiziert werden, die für die Regulation des Eisenstoffwechsels im Körper eine Rolle spielen. Unter diesen Molekülen, ist der divalante Metalltransporter-1 (DMT-1), eine transmembranes Protein, das zweiwertiges Eisen transportiert, von besonderem Interesse, da er eine essentielle Rolle für die Aufnahme von Eisen aus dem Darm und die Bereitstellung des Metalls für die Blutbildung spielt. Darüber hinaus dürfte DMT-1 derzeit noch ungenügend verstandene Funktionen in der Eisenverteilung im verschiedenen Organen wie Leber und Niere spielen . Von DMT-1 existieren vier Splicing-Varianten, deren gewebespezifische Lokalisation und funktionelle Bedeutung für den Eisentransport wir anfangs untersuchen wollen. Basierend auf Pilotstudien unserer Gruppe, in denen wir bereits einen Stimulator und einen Hemmer des DMT-1 vermittelten Eisentransportes identifizieren konnten, wollen wir pharmakologischen Substanzen charakterisieren und optimieren, die die DMT-1 Funktion beeinflussen. Mithilfe von Patch Clamp-Experimenten soll anschließend der genaue Wirkmechanismen dieser Pharmaka gegenüber DMT-1 charakterisiert werden. Mit Hilfe von Mausmodellen für primäre (genetische) und sekundäre Eisenüberladung wollen wir dann die funktionellen Auswirkungen der pharmakologischen Beeinflussung von DMT-1 auf die Eisenhomoöstase im Körper und die Regulation von zentralen eisenregulierenden und eisenregulierten Genen in verschiedenen Geweben untersuchen. Dynamische Studien sollen über die Effekte auf die Eisenaufnahme und die organspezifische Eisenverteilung nach pharmakologischer DMT-1 Modifikation Auskunft geben. Mithilfe diese Studie sind neue Erkenntnisse hinsichtlich der funktionellen Bedeutung und Aufgabe von DMT-1 für die Regulation der Eisenhomöostase auf Ebene des Organismus und der individuellen Zelle zu erwarten. Die pharmakologische Beeinflussung der DMT-1 Funktion kann zur Entwicklung eines neuen Therapiekonzeptes zur Behandlung von angeborenen und erworbenen Störungen des Eisenstoffwechsels beitragen.

Frühere vom FWF geförderte Untersuchungen aus unserer Arbeitsgruppe konnten nachweisen, dass es bei einer der häufigsten Erbkrankheiten in unseren Breiten ,der genetischen Hämochromatose (HH), zu einer übermäßigen Aufnahme von Eisen aus dem Duodenum kommt, wofür unmittelbar eine Hochregulation des Eisentransporters DMT1 (für Divalenter Metalltranporter-1) verantwortlich ist. In weiterer Folge kommt es dadurch zu einer massiven Eisenablagerung im Gewebe (wie Leber, Herz, endokrine Drüsen) und zu fortschreitender Organzerstörung. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend, haben wir im nunmehrigen Projekt versucht, Substanzen zu identifizieren, die durch pharmakologische Modulierung der Aktivität dieses Eisentransporters (DMT1), diese Eisenüberladung im Gewebe antagonisieren. Wir konnten einen neuen Mechanismus aufklären, durch den der Calcium-Antagonist Nifedipin, ein bisher zur Behandlung von Bluthochdruck eingesetztes Medikament, den Eisentransport über DMT- 1 beeinflußt und zu einer Reduktion der Eisenüberladung in parenchymatösen Organen führt. Basierend auf weiteren Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe, die eine regulatorische Interaktion von Eisen und Immunität nachwiesen, sind wir dann der Fragestellung nachgegangen, inwiefern eine Modulation des Eisentransportes die Immunantwort gegenüber intrazellulären Erregern modifiziert bzw. wie sich der Eisentransport in Makrophagen nach dem Eindringen von Mikroorgansimen (Bakterien oder Pilzen) verändert. Dabei konnten wir zeigen, dass aktivierte Makrophagen das Peptid Hepcidin bilden, welches den Ferroportin vermittelten Eisenexport aus diesen Zellen in autokriner Weise reguliert. Des weiteren konnten wir unter Verwendung von einem Salmonellen- und einem Aspergillusinfektionsmodel nachweisen, dass im Rahmen der Infektion der Eisenmetabolismus in Makrophagen so verändert wird, dass es zu einer limitierten Verfügbarkeit von Eisen für die Mikroben kommt und gleichzeitig pro-inflammatorische Immuneffektorwege stimuliert werden. Wir konnten dann in primären Kulturen und in einem Mausmodel für genetische Hämochromatose (Hfe-/-) zeigen, dass Hfe-/- Mäuse eine Resistenz gegenüber Salmonelleninfektionen zeigten. Diese Resistenz war auf eine verminderte intrazelluläre Eisenverfügbarkeit zurückzuführen, die mechanistisch wiederum mit einer vermehrten Produktion des anti-mikrobiellen Peptides Lipocalin-2 (Lcn2) assoziiert war. In weitere Konsequenz konnten wir dann nachweisen, dass die Modulation des transzellulären Eisentransportes durch Nifedipin zu einer besseren Kontrolle von Infektionen mit intrazellulären Erregern führt, wodurch die Therapie von Infektionen durch einen neuen Ansatzpunkt verbessert werden könnte.