Hypoxie und Adiponektin in der Fettgewebsentzündung

Die Prävalenz von Fettleibigkeit und metabolischen Erkrankungen wie Insulin Resistenz und Typ 2 Diabetes ist im Laufe der letzten Jahre stark angestiegen und stellt ein ernstzunehmendes Problem der öffentlichen Gesundheit dar. Ein wesentliches Charakteristikum dieser metabolischen Erkrankungen ist der proinflammatorische Status mit erhöhten Entzündungsparametern, zudem sind Infiltrationen von Makrophagen und anderen Immunzellen in hypertrophen Fettgewebe bei Tiermodellen wie auch beim Menschen gefunden worden. Darüber hinaus können Fettzellen selbst sog. Adipocytokine produzieren und sezernieren, die wiederum zu diesem pro-inflammatorischen Status beitragen könnten. Adiponektin, das vom Fettgewebe produziert wird, gehört zur Familie der Adipocytokine. Dieses Hormon ist im Serum von fettleibigen Patienten, wie auch im hypoxischen weißen Fettgewebe von Mäusen, reduziert. Die Mechanismen für diese Reduktion sind allerdings noch unbekannt. Außerdem wurde erst kürzlich festgestellt, dass Adiponektin auch an der Beseitigung von apoptotischen Zellen mitbeteiligt ist. Wir planen, [1] den Einfluss der Hypoxie in einem Adipozyten-Macrophagen Modell der Fettgewebsentzündung auf die Adiponektin Sezernierung, die Apoptose und die Nekrose zu untersuchen. Weiters sollen in diesem Zusammenhang [2] der Effekt der Hypoxie und des Adiponectins auf mögliche phänotypische Änderungen und die phagozytotische Fähigkeit der Makrophagen untersucht werden. Die Mechanismen der Fettgewebsentzündung zu entschlüsseln ist ein essentieller Schritt hin zur Entwicklung neuer Strategien für die Behandlung der Fettleibigkeit und metabolischer Erkrankungen wie Insulin Resistenz und Type 2 Diabetes.

Das weiße Fettgewebe ist ein wichtiges endokrines Organ, welches verschiedenste Protein- Faktoren (Adipokine) freisetzt. Bei fettleibigen Personen werden auf Grund der Übergröße des (weißen) Fettgewebes bestimmte Areale nur unzureichend mit Sauerstoff versorgt. In diesem Forschungsprojekt beschäftigte sich unsere Forschungsgruppe am VIVIT daher mit der Auswirkung dieses Sauerstoffmangel (Hypoxie) auf menschliche Fettzellen (Adipozyten). Im Focus stand dabei die in Zusammenhang mit Fettleibigkeit beobachtete Fehlregulation der Adipokine die in Entzündungs-Prozesse involviert sind, aber auch im Verdacht stehen bei Erkrankungen wie Typ II Diabetes Mellitus und dem metabolischen Syndrom eine gewichtige Rolle zu spielen und deren Entstehung zu begünstigen. So zeigten wir unter anderem, dass bei der Kultivierung von humanen Adipozyten unter Hypoxie die Expression und Sekretin des Adipokines Apelin signifikant erhöht wird und dass dies durch den zentrale Hypoxie-Transkriptionsfaktor HIF-1 koordiniert wird. Desweiteren untersuchte unsere Arbeitsgruppe auch den Effekt der Hypoxie auf die Genexpression in humanen Adipozyten. Dazu wurde in Zusammenarbeit mit der "Gene Discovery Core Facility Expression Profiling Unit" an der medizinischenUniversitätInnsbruckeinedas gesamte Genomeinbeziehende Genexpressionsanalysen von SGBS-Zellen, (Adipozyten aus einem Patienten mit dem Simpson Golabi-Behmel-Syndrom) mittels einer Microarray-Analyse (GeneChip U133 Plus 2.0, Affymetrix) durchgeführt. Hierbei wurden die Genexpressionsprofile dieser Zellen unter normoxischen Bedingungen mit jenen, welche für 3, 6 und 16 Stunden in einem hypoxischen Umfeld (definiert als 1% O2, 5% CO2 und 94% N2) kultiviert wurden, verglichen. Dabei zeigte sich bei acht Genen (ADM, ANKRD37, DDIT4, KDM3A; PFKFB4, PPP1R3C, VEGFA, ZNF395) eine deutlich erhöhte Expressionsrate zu allen drei untersuchten Zeitpunkten. Diese durch Hypoxie induzierte Überexpression konnte im Rahmen dieses Projektes erstmals für Adipozyten gezeigt werden. Interessanterweise zeigte sich bei weiteren Analysen, dass die Promotoren dieser Gene Bindungsstellen für die Transkriptionsfaktoren HIF-1, HIF-2, aber auch für Mitglieder der FOXO- Familie aufweisen, die teilweise sogar überlappen. Vermutlich spielt diese für die Adjustierung der Genexpression unter Hypoxie eine entscheidende Rolle und erlaubt etwa eine zeitliche Regulierung und verhindert eine überschießende Reaktion. Auch einige Transkriptionsfaktoren wurden durch Hypoxie signifikant stärker transkribiert (ATF3, FOSL2, JUN, KLF7), sowie zahlreiche an der Glykolyse und am Insulin Pathway beteiligte Gene. Am stärksten trifft dies für die Enolase und Phosphofruktokinase zu. Dabei zeigte sich, dass diese zu beobachtende Expressionssteigerung (etwa Faktor 100) deutlich HIF-1 -abhängig ist und eine Inhibierung von HIF-1 die Expression wiederum um etwa den Faktor 20 vermindert. Offensichtlich bewirkt der Sauerstoffmangel in Adipozyten eine sehr starke Beeinflussung der Expression metabolischer und vor allem glykolytischer Gene. Diese veränderte Genexpression impliziert die Bildung von Glycogen sowie Glutathion/NADPH welche als Schutzmoleküle bzw. -mechanismen vor Schäden der Hypoxie selbst, aber auch daraus resultierender reaktiver Sauerstoffverbindungen (ROS) angesehen werden können. Betrachtet man das gesamte Genexpressionsprofil der hypoxisch kultivierten Adipozyten, so zeigte sich außerdem eine deutliche Korrelation mit typischen Krankheitsmarkern für Diabetes aber auch Krebs. Mit stetig zunehmender Intensität wird in den letzten Jahren der Einfluss pflanzlicher anti- inflammatorischer Inhaltsstoffe auch bei der Prophylaxe und Therapie von Typ II Diabetes Mellitus und dem metabolischen Syndrom untersucht. Unter Umständen wirken einige dieser Stoffe den Auswirkungen der Hypoxie, direkt an ihrem Wirkort, den Mitochondrien, entgegen. Ein kürzlich von uns verfasster Übersichtsartikel stellt die Grundlage unserer weiteren Forschungsschwerpunkte dar: Die Aufklärung des molekularen Wechselspiels zwischen Hypoxie und Pflanzeninhaltsstoffen auf den Entzündungs-Pathway im adipösen Gewebe. Mit Unterstützung des FWF, hoffen wir diesen Forschungsschwerpunkt weiter ausbauen zu können und das molekulare Wechselspiel aus Hypoxie und Pflanzeninhaltsstoffen zu untersuchen, um daraus neue Erkenntnisse bezüglich Adipositas-assoziierter Erkrankungen und deren Prophylaxe und Therapie zu gewinnen.