"Metabolische Immunmodulation" durch Naturstoffe

Makrophagen sind Zellen unseres Immunsystems und erledigen die unterschiedlichsten Aufgaben. Diese reichen von Infektionsabwehr und Abfallbeseitigung durch Phagozytose über Initiierung und Beendigung von Entzündungen bis hin zur Antigenpräsentation. Um diese vielfältigen Funktionen erfüllen zu können, polarisieren Makrophagen zu unterschiedlichen Phänotypen. Dabei stellen der pro-entzündliche, bakterizide M1 und der anti-inflammatorische, wundheilende M2 Phänotyp die Extreme eines kontinuierlichen Spektrums dar. Jeder Polarisierungszustand zeichnet sich durch charakteristische Markerproteine und Funktionen aus und ist unabdingbar an ein spezifisches Stoffwechselprogramm geknüpft, damit seine jeweiligen Bedürfnisse an Energie, Bausteinen und Reduktionsäquivalenten gedeckt werden können. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe werden gewöhnlich gebildet, um vor UV oder Pilzinfektionen zu schützen bzw. um Tiere anzulocken (z.B. Bestäuber) oder abzuschrecken (Fraßfeinde). Dafür wurden sie während der Evolution auf Interaktion mit ihren Zielmolekülen optimiert und zeigen Strukturen, die zur Ausübung von Bioaktivität privilegiert sind. Daher überrascht es nicht, dass viele Naturstoffe auch immunomodulierend wirken (wie z.B. die Salicylsäure aus der Weidenrinde). Jedoch fehlt bei vielen Stoffen das Wissen um den genauen Wirkmechanismus. In dem beantragten Projekt wollen wir den Fragen nachgehen, ob ausgewählte Naturstoffe die Polarisierung, den Stoffwechsel und das Metabolitprofil von Makrophagen verändern können, ob veränderte Polarisierung und Stoffwechsel zusammenhängen und wie auf molekularer Ebene- Metabolismus in Polarisierung übersetzt werden kann. Dafür verwenden wir hauptsächlich primäre Makrophagen aus der Maus sowie eine Kombination aus analytischen und zell/molekularbiologischen Methoden zur Analyse von Proteinen, Metaboliten und der Aktivität von Stoffwechselprozessen. Entscheidende in vitro Ergebnisse sollen zudem auf ihre in vivo Relevanz in geeigneten Tiermodellen überprüft werden Was die Auswahl der Testsubstanzen betrifft, konzentrieren wir uns auf Urolithin A, das von Darmbakterien aus der mit der Nahrung zugeführten Ellagitanninen (in Beeren oder Nüssen) gebildet wird, und auf Sulforaphan, das zur Aktivierung des zellprotektiven Transkriptionsfaktors Nrf2 führt. Gewonnene Ergebnisse sollen unser Verständnis dafür fördern, inwieweit der zelluläre (Energie) Stoffwechsel ursächliche Triebfeder für die pro-oder anti-entzündliche Aktivität von Naturstoffen sein kann. Zudem werden detaillierte und systematische Erkenntnisse über die Auswirkungen von Urolithin A bzw. Nrf2 Aktivierung in Makrophagen erwartet sowie neue Einblicke in die molekularen Mechanismen des Zusammenspiels von Stoffwechsel und Phänotyp einer Zelle.

Das Projekt fand bisher unbekannte Mechanismen der antiinflammatorischen Wirkung von Naturstoffen . Im Fokus standen dabei die Makrophagen-Polarisierung sowie die Naturstoffe Sulforaphan und Urolithin A. Makrophagen sind Zellen des angeborenen Immunsystems und erfüllen vielfältige Aufgaben, die von der Initiierung bis zur Auflösung von Entzündungen reichen. Um diese unterschiedlichen Funktionen zu erfüllen, nehmen Makrophagen verschiedene Polarisationszustände an, die auf einem Spektrum zwischen den pro-inflammatorischen M1 und den anti-inflammatorischen M2 Typen liegen. Bemerkenswert ist, dass diese Zustände durch unterschiedliche Stoffwechselprofile gekennzeichnet sind: M1-Makrophagen bevorzugen die aerobe Fermentation von Glukose, während M2-Makrophagen die Oxidation von Fettsäuren favorisieren, um ihren Energie- und Baustoffbedarf zu decken. Diese Verbindung zwischen Stoffwechsel und Immunfunktion hat zur Entstehung des Forschungsfeldes der Immunmetabolismus geführt, das das Potenzial untersucht, Immunantworten durch gezielte Modulation spezifischer Stoffwechselwege zu beeinflussen. Diesem Konzept folgend haben wir die metabolischen Aspekte von Sulforaphan, einer Verbindung aus Broccoli, und Urolithin A, einem von Darmbakterien aus Ellagitanninen (z. B. in Granatäpfeln) gebildeten Metaboliten, im Hinblick auf ihre etablierte antiinflammatorische Wirkung auf Makrophagen untersucht. Unsere Ergebnisse zeigten, dass beide Naturstoffe die Polarisierung von Makrophagen hin zum pro-inflammatorischen M1-Typ verhindern und gleichzeitig zu metabolischen Veränderungen in den behandelten Zellen führen. Die folgenden Experimente , die vor allem dem kausalen Zusammehabg untersuchten, ergaben : - Sulforaphan erhöht die glykolytische Aktivität (aerobe Fermentation) in Makrophagen, jedoch ist diese Steigerung der Glykolyse für die Reduktion des M1-Phänotyps nicht notwendig und stellt eher ein Nebenprodukt einer anderen Aktivität von Sulforaphan dar. - Sulforaphan schützt die Mitochondrien, wobei eine intakte mitochondriale Funktion (unbeeinträchtigter Zitratzyklus, effiziente Atmungskette, geringe Spaltung und wenig Superoxidproduktion) entscheidend dafür ist, die M1-Polarisierung zu verhindern. - Funktionierende Mitochondrien sind notwendig, um weniger C2-Einheiten für die Fettsäuresynthese, Histonacetylierung und Chromatin-Öffnung bereitzustellen, die aber für die pro-inflammatorische Polarisierung erforderlich sind. - Urolithin A führt ebenfalls zu einer erhöhten Fermentation, was für seine antiinflammatorische Wirkung notwendig ist, da es den Energiebedarf der Makrophagen deckt, während die Mitochondrien autophagiert werden. Ohne diese energetische Unterstützung der Mitophagie verliert Urolithin A seine antiinflammatorische Wirkung. Diese Erkenntnisse verdeutlichen die metabolischen Grundlagen der antiinflammatorischen Wirkungen von Sulforaphan und Urolithin A und heben das Potenzial hervor, durch gezielte Beeinflussung des Zellstoffwechsels das Verhalten von Makrophagen und Entzündungsprozesse steuern zu können.