Orale Applikation von FGF21 für eine gezielte Wirkung in der Leber
Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Weltweit sind 400 Mio. Menschen von der nichtalkoholischen Steatohepatitis (NASH) betroffen, für die es bisher keine zugelassene Medikamente gibt. Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor 21 (FGF21) ist ein Regulator, der eine wichtige Rolle bei der Glukose- und Lipidhomöostase spielt. In Studien an Mäusen verbesserte FGF21 die Insulinsensitivität, während er gleichzeitig die Fettansammlung verringerte und somit eine Gewichtsabnahme bewirkte, was in klinischen Studien mit FGF21-Analoga an Menschen bestätigt wurde. Die Effekte von FGF21 beruhten dabei auf einer Wirkung auf die Leber, wobei die molekularen Mechanismen noch nicht aufgeklärt sind. Die Verabreichung von FGF21-Analoga kann zudem auch zu unerwünschten Wirkungen führen, wie eine verringerte Knochenmasse. Dies könnte vermieden werden, wenn FGF21 ausschließlich an die Leber abgegeben wird, wofür oral verabreichte Pflanzensamen verwendet werden können. In Tierstudien wurde bereits gezeigt, dass Pflanzen das Biopharmazeutikum vor der Magensäure schützen, es aber im Dünndarm freisetzen, wo es dann in die Pfortader aufgenommen wird, die direkt zur Leber führt. Die Hauptziele dieses Projekts waren daher (i) die Klärung der hepatischen Effekte von FGF21 und (ii) die Etablierung der oralen Verabreichung von FGF21 über essbare Tabaksamen. (i) Die Untersuchung der direkten hepatischen Wirkungen von FGF21 unter Verwendung von primären Hepatozyten aus FGF21-/- Mäusen ergab, dass der Verlust von FGF21 die Hepatozyten für oxidativen Stress sensibilisiert, der offenbar eine erhöhte Glukose-getriebene de novo Lipogenese induziert. Dies steht im Einklang mit dem erhöhten hepatischen Lipidgehalt in gealterten FGF21-/- Mäusen und unterstützt unser Konzept der oralen Anwendung von FGF21 für leberspezifische FGF21-Effekte bei NAFLD und NASH. (ii) Ein FGF21-Transferrin Fusionsprotein konnte erfolgreich in stabil-transformierten Tabaksamen produziert werden. Allerdings war FGF21-Gehalt zu niedrig, um eine ausreichende Konzentration in der Leber zu erreichen, was daran lag, dass das FGF21-Transferrin Fusionsprotein instabil war. Deshalb entwickelten wir weitere Fusionsproteine, die wir mittels transienter Transformation in Tabakblättern untersuchten, und das finale Protein nTf338-FGF21-PLUS erwies sich als stabil. Gereinigtes nTf338- FGF21-PLUS aus Tabakblättern wurde FGF21-/- Mäusen verabreicht, wo es aus dem Darm in die Pfortader übertragen wurde und die hepatische Genexpression beeinflusste. Die Behandlung von NASH mittels oraler Applikation von FGF21 durch Pflanzenmaterial scheint daher möglich zu sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Targeted delivery of FGF21 to the liver in planta bioencapsulation. International Conference of the German Society for Plant Sciences 2019 [Botaniker-Tagung 2019]
Hou H.W. et al.
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Tobacco SL632 as an expression platform using FGF21 and GFP as model proteins. 9th Fraunhofer IME PhD Seminar 2019
Hou HW et al.
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Effects of liver-targeted FGF21 signaling on hepatic energy metabolism & cellular homeostasis. Joint PhD seminar DIfE/Institute of Nutritional Science (IEW) of the University of Potsdam, 11/2020
Gahner, N. et al.
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Transient expression of FGF21-Tf seems to be affected be the stability of the linker region. 10th Fraunhofer IME PhD Seminar 2020
Hou HW et al.
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Comparing seed-based stable and leaf-based transient expression for the production of the FGF21-Transferrin fusion protein. 11th Fraunhofer IME PhD Seminar 2021
Hou HW et al.
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Seed-and leaf-based expression of FGF21-transferrin fusion proteins for oral delivery and treatment of non-alcoholic steatohepatitis. Frontiers in Plant Science, 13.
Hou, Hsuan-Wu; Bishop, Christopher A.; Huckauf, Jana; Broer, Inge; Klaus, Susanne; Nausch, Henrik & Buyel, Johannes F.
