25.01.2021 15:14

Analysemodell für den Stoffwechsel

Publikation: Stammzellbasiertes Zellkulturmodell für nicht-alkoholische Fettleber

Von: Redaktion

Nichtalkoholische Fettleber (NAFLD) ist eine weitverbreitete Erkrankung in der westlichen Welt. Um ihre zu Grunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen, haben Wissenschaftler um Dr. Nina Graffmann und Prof. James Adjaye aus dem Institut für Stammzellforschung und Regenerative Medizin induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) in der Zellkultur zu hepatozyten-ähnlichen Zellen differenziert.

In der oberen Reihe sind Leberbiopsien eines gesunden (links) und eines an NAFLD-erkrankten Spenders (rechts) zu sehen. Große, klare Vakuolen beinhalten das eingelagerte Fett (Wruck et al, 2017). Die untere Reihe zeigt Fotos der in vitro differenzierten hepatozyten-ähnlichen Zellen, links unbehandelt und rechts nach Fettinduktion (Graffmann et al, 2020). Das eingelagerte Fett wurde mit dem Farbstoff Bodipy (grün) sichtbar gemacht. In rot wurde PLIN2, ein Protein, das die Fetttröpfchen umschließt, gefärbt.

Nichtalkoholische Fettleber („nonalcoholic fatty liver disease“, NAFLD) ist eine weitverbreitete Erkrankung in der westlichen Welt. Etwa 30% der Bevölkerung weisen eingelagerte Fetttröpfchen in der Leber auf, die auf lange Sicht deren Funktion beeinträchtigen. Hauptursache sind unsere kalorienreiche Ernährung in Kombination mit Bewegungsmangel. Die Entstehung der Krankheit ist bis heute nicht vollständig verstanden und es gibt trotz der hohen Anzahl an Betroffenen noch keine spezifische zugelassene Therapie.

Um die zu Grunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen, haben Wissenschaftler um Dr. Nina Graffmann und Prof. James Adjaye aus dem Institut für Stammzellforschung und Regenerative Medizin der Uniklinik Düsseldorf induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) von NAFLD Patienten und gesunden Probanden in der Zellkultur zu hepatozyten-ähnlichen Zellen differenziert. Die Forscher simulierten eine fettreiche Ernährung in der Zellkultur durch Zugabe von Fettsäuren ins Medium. Unter diesen Bedingungen bildeten die hepatozyten-ähnlichen Zellen Fetttröpfchen, vergleichbar mit denen, die in Leberbiopsien von Patienten sichtbar sind.

Die so induzierte Fetteinlagerung wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Beller aus der Arbeitsgruppe „Systembiologie des Fettstoffwechsels“ (HHU) analysiert.

In der kürzlich in Biology Open (Verlag - Company of Biologists) veröffentlichten Studie zeigte sich eine starke Heterogenität zwischen den einzelnen Zelllinien in Bezug auf Genexpressionsmuster und Morphologie der Fetttröpfchen. Diese Heterogenität resultiert in den Augen der Wissenschaftler zum einen aus den vielfältigen beteiligten Stoffwechselnetzwerken. Zum anderen spiegelt sie die umfangreichen patienten-abhängigen Phänotypen wider, die NAFLD zu einer hochkomplexen Erkrankung machen und deren Auswirkungen die Arbeitsgruppe schon in einer früheren Studie untersucht hat (Wruck et al, 2015). Nichtsdestotrotz konnten die Wissenschaftler Genexpressionsmuster mit dem Schweregrad der Erkrankung korrelieren.

Ein körpereigenes Molekül, das von Fettzellen gebildet wird und den Fettmetabolismus in Hepatozyten positiv beeinflusst, ist Adiponektin. Um seine Rolle im Zellkulturmodell zu analysieren, wurde für diese Studie ein Analogon (AdipoRon) im Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf unter der Leitung von Prof. Dr. Constantin Czekelius synthetisiert. Ursprünglich wurden AdipoRon-vermittelte Effekte in einem Mausmodell für Diabetes untersucht. Hier konnte ein signifikanter schützender Effekt vor der Erkrankung beobachtet werden (Okada-Iwabu et al, 2013).

Auch die Behandlung mit AdipoRon zeigte Effekte, die für die jeweilige Zelllinie bzw. ihren genetischen Hintergrund spezifisch waren. Daneben konnte ein genereller Einfluss von AdipoRon auf die Transkription von Genen für Stoffwechsel- und Transportmechanismen, das Immunsystem sowie für Zellstress und Signaltransduktion festgestellt werden.

„Mit unserem stammzellbasierten Zellkulturmodell konnten wir wichtige Aspekte von NAFLD nachstellen. Wir wollen es auch in Zukunft weiter für die Analyse der Krankheit nutzen, da etablierte Tiermodelle die umfangreichen Stoffwechselmechanismen nicht ausreichend reproduzieren können,“ erklärt Dr. Graffmann.

„Wir konnten wieder einmal zeigen, dass aus iPS-Zellen generierte hepatozyten-ähnliche Zellen trotz ihrer unreifen, d.h. fetalen Natur, von unschätzbarem Wert sind, um komplexe Krankheiten wie NAFLD besser zu verstehen und um die Wirkung von Medikamenten zu testen,“ betont Prof. Adjaye.

Originalpublikation

Referenzen:

Graffmann, N., Ncube, A., Martins, S., Fiszl, A., Reuther, P., Bohndorf, M., Wruck, W., Beller, M., Czekelius, C. & Adjaye, J. (2020) A stem cell based in vitro model of NAFLD enables the analysis of patient specific individual metabolic adaptations in response to a high fat diet and AdipoRon interference. Biology open.

Okada-Iwabu, M., Yamauchi, T., Iwabu, M., Honma, T., Hamagami, K., Matsuda, K., Yamaguchi, M., Tanabe, H., Kimura-Someya, T., Shirouzu, M., Ogata, H., Tokuyama, K., Ueki, K., Nagano, T., Tanaka, A., Yokoyama, S. & Kadowaki, T. (2013) A small-molecule AdipoR agonist for type 2 diabetes and short life in obesity. Nature, 503(7477), 493-9.

Wruck, W., Graffmann, N., Kawala, M. A. & Adjaye, J. (2017) Concise Review: Current Status and Future Directions on Research Related to Nonalcoholic Fatty Liver Disease. Stem Cells, 35(1), 89-96.

Wruck, W., Kashofer, K., Rehman, S., Daskalaki, A., Berg, D., Gralka, E., Jozefczuk, J., Drews, K., Pandey, V., Regenbrecht, C., Wierling, C., Turano, P., Korf, U., Zatloukal, K., Lehrach, H., Westerhoff, H. V. & Adjaye, J. (2015) Multi-omic profiles of human non-alcoholic fatty liver disease tissue highlight heterogenic phenotypes. Scientific Data, 2, 150068.

 

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