Chemische Werkzeuge zur Untersuchung der Rolle der sauren Sphingomyelinase unter physiologischen und pathologischen Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Arenz
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266895703

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die saure Sphingomyelinase ist ein Enzym mit unterschiedlichsten Rollen unter normalen physiologischen Bedingungen aber auch im Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten. Das Enzym ist normalerweise in den Lysosomen am konstitutiven Abbau der Plasmamembran beteiligt, kann aber auch als Reaktion auf verschiedene Stimuli sezerniert werden. Eine starke Sezernierung des Enzyms wurde vor allem in akut entzündlichen Krankheiten wie dem akuten Lungenversagen (ALI) oder bei Sepsis beschrieben. Eine Hemmung des Enzyms wurde auch als experimentelle Therapie für die schwere Depression (Major Depression) oder für eine Infektion mit SARS-Cov2 beschrieben. Daneben existiert aber auch eine angeborene Defizienz der sauren Sphingomyelinase, die als Niemann-Pick Krankheit der Typen A und B bekannt ist. Die vielschichtige Rolle des Enzyms verlangt nach Werkzeugen um die verschiedenen Wirkmechanismen mit hoher Genauigkeit, d.h. orts- und zeitaufgelöst untersuchen zu können. Da solche Werkzeuge bisher nicht existierten, sind viele Fragen auf dem Gebiet offengeblieben. Wir haben im Verlauf der Projektförderung verschiedene FRET Sonden entwickelt, die es erstmals erlauben, das Enzym in lebenden Zellen direkt bei der Katalyse zu beobachten. Diese Sonden konnten auch für eine bequeme Messung der sezernierten Sphingomyelinase herangezogen werden. Wir haben zellpermeable Inhibitoren hergestellt, die lichtgesteuert aktiviert werden können, um perspektivisch die saure Sphingomyelinase in Geweben orts- und zeitaufgelöst zu inhibieren. Darüber hinaus haben wir etablierte Zelllinien genetisch modifiziert und so bereits erste Zellen erhalten, die als geeignetes Modell für die Niemann-Pick Krankheit mit ihren verschiedenen Genotypen fungieren können. In Kombination mit den FRET Sonden, die die Aktivität des Enzyms innerhalb der Zelle abbilden soll nun eine wirkmächtige Entwickelt werden, mit denen nach Verbindungen gesucht werden kann, die die saure Sphingomyelinase Defizienz in Patienten abmildern und deren Lebensqualität verbessern können. Es wurden bereits erste vielversprechende Kandidaten identifiziert, die das Potenzial dieser Herangehensweise eindrucksvoll unterstreichen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Five-, four- and three-dentate europium chelates for anion sensing and their applicability to enzymatic dephosphorylation reactions" Chemistry Select 2018, 3, 12430-12439
  Z. H. Mohamed, T. Soukka, C. Arenz, M. Schäferling
  
• "FRET probes for measuring sphingolipid metabolizing enzyme activity (Review)" Chem. Phys. Lipids 2018, 216,152-161
  Z. H. Mohamed, C. Rhein, E. M. Saied, J. Kornhuber, C. Arenz
  
• "Optical Nanosensing of Lipid Accumulation due to Enzyme Inhibition in Live Cells" ACS Nano. 2019, 13, 9363-9375
  V. Živanovic, Seifert, Drescher, P. Schrade, S. Werner, P. Guttmann, G. P. Szekeres, S. Bachmann, G. Schneider, C. Arenz, J. Kneipp
  
• "A novel visible range FRET probe for monitoring acid sphingomyelinase activity in living cells" Chemistry – Eur J 2020, 26, 5780-5783
  C. Kappe, Z. H. Mohamed, E. Naser, A. Carpinteiro, C. Arenz
  
• "Image-based morphological profiling identifies a lysosomotropic, iron-sequestering autophagy inhibitor" Angew. Chem. 2020, 132, 5770-5778
  L. Laraia, G. Garivet, D. J. Foley, N. Kaiser, S. Müller, S. Zinken, T. Pinkert, J. Wilke, D. Corkery, A. Pahl, S. Sievers, P. Janning, C. Arenz, Y. Wu, R. Rodriguez, H. Waldmann
  
• “Characterization of the small molecule ARC39, a direct and specific inhibitor of acid sphingomyelinase in vitro.” J. Lipid Res., 2020
  E. Naser, S. Kadow, F. Schumacher, Z. H. Mohamed, C. Kappe, G. Hessler, B. Pollmeier, B. Kleuser, C. Arenz, K. A. Becker, E. Gulbins, A. Carpinteiro
  
• „A Photocaged Inhibitor of Acid Sphingomyelinase“ Chem. Commun. 2020, 56, 14885 – 14888
  K. Prause, G. Naseri, F. Schumacher, C. Kappe, B. Kleuser and C. Arenz
  
• "Synthesis and Characterization of a New Two Photon Excitable Acid Sphingomyelinase FRET Probe" Bioorg Med Chem 2021, 44, 116303
  Z. H. Mohamed, C. Rhein, B. Schmid, P. Tripal, J. Kornhuber, C. Arenz
  
• “Platelet Extracellular Vesicles mediate Transfusion-related Acute Lung Injury by imbalancing the Sphingolipid Rheostat” Blood 2021, 137, 690–701
  M.J. McVey, S. Weidenfeld, M. Maishan, C. Spring, M. Kim, A. Tabuchi, V. Srbely, A. Takabe-French, S. Simmons, C. Arenz, J. W. Semple and W.M. Kuebler