Glukokortikoide & Mitochondrien

Die klassische Annahme, dass die Wirkung von Glukokortikoiden auf eine Beeinflussung der Gen-Transkription im Zellkern zurückgeführt werden kann, dürfte nur eine Seite der Medaille erfassen. Die antiinflammatorischen Effekte der Glukokortikoide dürften vielmehr auf eine Beeinflussung des Citratzyklus in den Mitochondrien zurückzuführen sein. Diese Einsichten könnten zur Entwicklung von „Steroiden der nächsten Generation“ mit besserem Nutzen-Risiko-Verhältnis führen.

Seit der Verleihung des Nobelpreises für die Entdeckung der Glukokortikoide (GC) im Jahr 1950 habe man viel über die Wirkungsweise dieser Substanzgruppe gelernt, führte Prof. Dr. Gerhard Krönke von der Abteilung für Rheumatologie und Klinische Immunologie an der Charité – Universitätsmedizin Berlin aus. Glukokortikoide gelangen in die Zielzellen, wo sie an den Glukokortikoid-Rezeptor andocken, der üblicherweise im Zytoplasma lokalisiert ist. Der aktivierte Rezeptor wandert anschließend in den Kern, wo er als Transkriptionsfaktor fungiert. Krönke: „Wir nehmen heute an, dass diese sogenannte Transaktivierung des GC-Rezeptors für die Mehrzahl der Nebenwirkungen der Glukokortikoide verantwortlich ist.“ Viel weniger klar ist, wie und warum Glukokortikoide Entzündung dämpfen. Eine diskutierte Möglichkeit ist, dass der aktivierte GC-Rezeptor proinflammatorische Transkriptionsfaktoren blockiert. Dieser Prozess wird als Transrepression bezeichnet, so Krönke. Allerdings handle es sich hier um ein theoretisches Modell mit vielen fraglichen Implikationen. Krönke: „Versuche der Industrie, Modulatoren des GC-Rezeptors zu entwickeln, die primär dessen trans-repressive Modalitäten zur Wirkung bringen, sind bislang gescheitert. Es ist also derzeit nicht möglich, die antiinflammatorischen Effekte der Glukokortikoide von deren Wirkungen auf den Zellmetabolismus zu trennen.“

Direkter Einfluss der Glukokortikoide auf den Metabolismus von Immunzellen

Wichtige Informationen zu dieser Fragestellung wurden durch Untersuchungen zum Einfluss von Glukokortikoiden auf Makrophagen gewonnen.¹ Mittels Transkriptionsanalyse konnte gezeigt werden, dass Glukokortikoide den Metabolismus von Immunzellen beeinflussen und den metabolischen Effekten proinflammatorischer Stimuli entgegenwirken. Dies sei insofern interessant, als man mittlerweile wisse, dass der Metabolismus von Immunzellen in enger Beziehung zu Immunantwort und inflammatorischer Antwort steht. Dieser Effekt war auch in einem transgenen Mausmodell zu beobachten, in dem dem GC-Rezeptor die Fähigkeit fehlte, im Kern Transaktivierung oder Transrepression auszulösen. Krönke: „Dies legt nahe, dass die metabolischen Wirkungen der Glukokortikoide unabhängig von der Rolle des GC-Rezeptors als Transkriptionsfaktor sind. Das ist auch für die Entwicklung neuer Medikamente interessant.“ Die Untersuchungen zeigten nämlich auch, dass die antiinflammatorischen Effekte der Glukokortikoide in diesem Tiermodell weitgehend erhalten blieben. Man könne also davon ausgehen, dass sie, ebenso wie die metabolischen Wirkungen, unabhängig vom Einfluss der Glukokortikoide auf die Gen-Transkription sind.

Abb. 1: Glukokortikoide dämpfen Entzündungen durch metabolische Umprogrammierung. Sie steigern in LPS-aktivierten Makrophagen die TCA-Zyklus-Aktivität und die ACOD1-abhängige Itaconat-Produktion. Itaconat hemmt proinflammatorische Prozesse und trägt so zur antiinflammatorischen Wirkung bei (modifiziert nach Auger et al.)¹

Damit stellte sich die Frage, wie Veränderungen des Zellmetabolismus Inflammation blockieren können. Zur Klärung dieser Frage wurden Makrophagen mittels Massenspektrometrie untersucht. Dabei zeigte sich, dass Glukokortikoide den Metabolismus der Mitochondrien und dabei vor allem den Citratzyklus verändern, der in Mitochondrien nicht nur für die Energiegewinnung, sondern auch für die Synthese diverser Stoffwechselprodukte essenziell ist. Glukokortikoide beschleunigen den Citratzyklus, während Lipopolysaccharid (LPS) und andere proinflammatorische Stimuli den Citratzyklus blockieren. „Im Wesentlichen treiben Glukokortikoide den Metabolismus in den Mitochondrien von Makrophagen an“, erläuterte Krönke.

Glukokortikoide regulieren den Transport des PDH-Komplexes in die Mitochondrien

Eine zentrale Rolle spielt dabei das Enzym Pyruvatdehydrogenase (PDH). Dieses konvertiert Pyruvat als Endprodukt der Glykolyse in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), das dann in den Citratzyklus eingespeist und weiter verarbeitet wird. Auch die Blockade des Citratzyklus durch LPS und andere proinflammatorische Faktoren greift an PDH an. Krönke: „Wir konnten zeigen, dass Glukokortikoide diese Blockade aufheben. Unter Einfluss von Glukokortikoiden steigen die Acetyl-CoA-Spiegel auch in Gegenwart proinflammatorischer Stimuli. Gleichzeitig sinken die Laktat-Spiegel, da die Konsequenz einer Blockade von PDH die vermehrte Produktion von Laktat ist.“

Im Zuge dieser Untersuchungen zeigte sich auch, dass der GC-Rezeptor direkt mit dem PDH-Komplex interagiert. Diese Interaktion geht unter dem Einfluss von Glukokortikoiden zurück. Nimmt die Interaktion mit dem GC-Rezeptor ab, wandert PDH verstärkt in die Mitochondrien. Krönke: „Letztlich regulieren Glukokortikoide den Transport des PDH-Komplexes aus dem Zytoplasma in die Mitochondrien. Gleichzeitig erhöhte der Einfluss der Glukokortikoide die Aktivität der PDH. Es dürfte also im Steady State der GC-Rezeptor den PDH-Komplex blockieren. Glukokortikoide setzen die Migration des GC-Rezeptors in den Kern in Gang und setzen dabei auch PDH frei.

Die Frage sei nun, ob und wie diese komplexen metabolischen Effekte in Zusammenhang mit den antiinflammatorischen Effekten der Glukokortikoide stehen. Um dies zu untersuchen, wurde die Sauerstoffzufuhr zur Zellkultur reduziert. Durch die hypoxischen Bedingungen wurde der Citratzyklus in Makrophagen blockiert, was zu einem kompletten Verlust der antiinflammatorischen Effekte von Glukokortikoiden führte. Dies wurde in Makrophagen sowohl von Mäusen als auch von Menschen nachgewiesen.

Itaconat, ein antiinflammatorischer Metabolit als Hoffnungsträger

Analysen der involvierten Metaboliten zeigten, dass Makrophagen und Glukokortikoid-Einfluss ihre Produktion diverser Metaboliten veränderten. Beispielsweise verschwanden Fumarat und Malat unter Einfluss von Glukokortikoiden fast vollständig, während sie unter dem proinflammatorischen Einfluss von LPS akkumulierten. Gleichzeitig kam es unter GC-Einfluss zu einem starken Anstieg von Itaconat, einem ausgeprägt antiinflammatorischen Metaboliten. Itaconat entsteht durch Konversion von Aconitat, einem Metaboliten des Citratzyklus, durch ein Enzym namens IRG1. Krönke: „Es handelt sich hier um einen intrinsischen Weg, über den Makrophagen und andere Zellen Inflammation blockieren können. Glukokortikoide scheinen in diesen Prozess einzugreifen und die Spiegel des antiinflammatorischen Metaboliten Itaconat zu beeinflussen.“ Unter hypoxischen Bedingungen kommt die Produktion von Itaconat zum Erliegen. Ebenso führte eine Deletion von IRG1 zum Erliegen der Itaconat-Produktion und damit zum Verlust der antiinflammatorischen Effekte von Glukokortikoiden. Dies konnte in menschlichen Zellen durch Blockade von IRG1 mithilfe eines Small Molecule bestätigt werden. Die antiinflammatorischen Wirkungen von Glukokortikoiden stehen also in Zusammenhang mit einem einzelnen Enzym im Zellmetabolismus. Damit bietet sich dieser Mechanismus für die Entwicklung neuer antiinflammatorischer Medikamente an.

Im Tiermodell: kein Itaconat, keine Wirkung von Glukokortikoiden

Der naheliegende nächste Schritt bestand also darin, diese Zusammenhänge in verschiedenen Modellen inflammatorischer Erkrankungen zu überprüfen. Dabei zeigte sich unter anderem, dass Mäuse in solchen Modellen nicht von Glukokortikoiden profitieren, wenn ihnen funktionsfähiges IRG1 fehlt. Gleichzeitig konnten bei Patient:innen mit rheumatoider Arthritis nach dem Beginn einer Behandlung mit Glukokortikoiden erhöhte Spiegel von Itaconat im Serum nachgewiesen werden. Dies zeige, dass die beschriebenen Mechanismen auch beim Menschen und auch im Zusammenhang mit inflammatorischen Erkrankungen relevant sind. Darüber hinaus konnte in einem Mausmodell für Asthma gezeigt werden, dass die Blockade von IRG1 den Effekt von Glukokortikoiden auch bei Typ-2-Inflammation aufhebt und nicht nur bei der für die RA typischen Typ-1-Inflammation. Insgesamt gelte also: „Glucocorticoids make mitochondria great again.“ Die bislang vorherrschende Ansicht, dass die Wirkung der Glukokortikoide auf die Beeinflussung der Transkription von Genen zurückgehe, sei also nur eine Seite der Medaille, erläuterte Krönke. Nun gehe es darum, diese Erkenntnisse für die Entwicklung neuer antiinflammatorischer Medikamente zu nutzen, die die Produktion antiinflammatorischer Metaboliten in den Mitochondrien ankurbeln. Eine direkte therapeutische Anwendung von Itaconat werde untersucht, sei aus seiner Sicht jedoch kein optimaler Weg, so Krönke, da Itaconat eine stark elektrophile, sehr aktive und leicht toxische Substanz ist, deren systemische Applikation Probleme bereiten könnte. Die endogene Produktion von Itaconat anzukurbeln erscheint aus Krönkes Sicht als geeigneterer Weg, um zu einem wirksamen und verträglichen Medikament zu kommen, zumal die Expression von IRG1 entzündungsabhängig ist.

Diese Ziele werden unter anderem vom in Berlin gegründeten Start-up metaimmune therapeutics verfolgt, an dem Krönke beteiligt ist. Krönke: „Wir hoffen, dass wir in Zukunft neue Substanzen mit einem verbesserten Verhältnis von Nutzen zu Risiko für Patient:innen mit RA und anderen inflammatorischen Erkrankungen entwickeln und verfügbar machen können.“