Inhibierung der HIF Prolyl Hydroxalase 1 (PHD1) zur Prävention ischämischer, septischer und alkohol-induzierter Leberschäden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zellen und Gewebe vermögen sich aktiv an Sauerstoff-Mangelbedingungen (Hypoxie) anzupassen. Diese Adaptationsvorgänge sind bei Krankheitsprozessen, welche mit Gewebehypoxie einhergehen, von großer Bedeutung. Im Bereich der Viszeralchirurgie betrifft dies insbesondere Zustände der Organischämie sowie Geweberegeneration und Entzündung. Auf molekularer Ebene wird die Anpassung an Sauerstoffmangel durch Hypoxie-Induzierbare Faktoren (HIF) vermittelt. Bei ausreichendem Sauerstoffangebot (Normoxie) hingegen bewirken drei HIF-Prolyl Hydroxylase Enzyme (PHD1, PHD2, PHD3) den Abbau von HIF. Als pharmakologisch modulierbare Enzyme der molekularen Sauerstoffregulation stellen diese PHD Enzyme ein attraktives Target zur Behandlung von Hypoxiebedingten Erkrankungszuständen dar. Hier wurden aus viszeralchirurgischer Sicht relevante Funktionen der PHD Enzyme anhand funktionell genetischer Untersuchungen in vivo untersucht. Dabei konnten unter anderem die folgenden Befunde erhoben werden: 1. Der Verlust des PHD1-Gens (PHD1-/-) bewirkte eine gesteigerte Resistenz der Leber gegen ischämische- und ischämie/reperfusions- (I/R-) bedingte Zellschäden. Gleiches galt für eine therapeutische Kurzzeit-Inhibierung des PHD1-Enzyms mittels RNA-Interferenz in vivo. In mechanistischer Hinsicht führte der Verlust der PHD1-Funktion zur Umstellung des hepatozytären Energiestoffwechsels und zur Hypoxie-Toleranz. Dadurch waren der zelluläre Sauerstoffverbrauch und die Bildung toxischer Sauerstoffradikale unter I/R-Bedingungen deutlich vermindert. 2. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass genetischer Verlust von PHD1 die hepatische Regenerationsfähigkeit nach Leberteilresektion signifikant verbessert. Ursächlich waren HIF-vermittelte Effekte auf den Zellproliferationsregulator c-Myc, welche einen gesteigerten Zellzyklusdurchsatz PHD1- defizienter Hepatozyten zur Folge hatten. 3. Untersuchungen zur Bedeutung der PHD Enzyme im Rahmen der abdominellen Sepsis zeigten, dass ein Verlust des PHD3 Gens (PHD3-/-) die Sepsis-assoziierte Letalität drastisch und spezifisch steigert. Detaillierte Untersuchungen dieses Phänotyps zeigten, dass hiefür eine gesteigerte pro-inflammatorische Aktivität PHD3-defizienter Makrophagen verantwortlich ist, welche eine übersteigerte innate Immunreaktion zur Folge hat. 4. Untersuchungen zur Bedeutung der PHD Enzyme bei entzündlichen Darmerkrankungen ergaben, dass eine genetische Defizienz von PHD1 den Krankheitsverlauf experimentell ausgelöster Colitiden signifikant abmildert. In PHD1-defizienten Mäusen war die Apoptoserate intestinaler Schleimhautzellen bei Colitis vermindert, und die intestinale Barrierefunktion folglich verbessert. Somit konnten spezifische, viszeralchirurgisch relevante Funktionen der PHD Enzyme ermittelt werden. Insbesondere konnte PHD1 als ein aussichtsreiches therapeutisches Target identifiziert werden, dessen Hemmung zur Prävention oder Behandlung der postoperativen Leberdysfunktion nach chirurgischen Leberresektionen oder Lebertransplantationen eingesetzt werden könnte. Weiterführende Untersuchungen zur Durchführbarkeit und Effizienz verschiedener Strategien der therapeutischen PHD1-Hemmung im Rahmen leberchirurgischer Eingriffe ergaben, dass eine pharmakologische PHD- Inhibierung im präklinischen Tiermodell erfolgreich zur Prävention experimenteller Leberschäden und zur Verbesserung der Leberfunktion nach chirurgischer Resektion angewendet werden kann. Zukünftige translationale Studien sollten demnach darauf fokussieren, den potentiellen therapeutischen Nutzen verschiedener, pharmakologischer PHD-Inhibitoren in der klinischen Leberchirurgie zu evaluieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Oxygen deprivation and hypoxia tolerance. Dtsch Med Wochenschr 133(42), 2168-2172 (2008)
M. Schneider and J. Weitz
- Loss of prolyl hydroxylase-1 (PHD1) protects against colitis through reduced epithelial cell apoptosis and increased barrier function. Gastroenterology 139(6), 2093-2101 (2010)
M. Tambuwala, E. Cummins, C. Lenihan, J. Kiss, M. Stauch, C. Scholz, P. Fraisl, F. Lasitschka, M. Mollenhauer, S. Saunders, P. Maxwell, P. Carmeliet, P. Fallon, M. Schneider and C. Taylor
- Loss or silencing of the PHD1 prolyl hydroxylase protects livers of mice against ischemia/reperfusion injury. Gastroenterology 138(3), 1143-1154 (2010)
M. Schneider, K. van Geyte, P. Fraisl, J. Kiss, J. Aragones, M. Mazzone, H. Mairbäurl, K. De Bock, N. H. Jeoung, M. Mollenhauer, M. Georgiadou, T. Bishop, C. Roncal, A. Sutherland, B. Jordan, B. Gallez, J. Weitz, R. A. Harris, P. Maxwell, M. Baes, P. Ratcliffe and P. Carmeliet
- Organization of clinical research in general and visceral surgery. Der Chirurg 81(4):341-346 (2010)
M. Schneider, J. Weitz and M. W. Büchler
- Sema3E-Plexin D1 signaling drives human cancer cell invasiveness and metastatic spreading in mice. J Clin Invest 120(8), 2684-98 (2010)
A. Casazza, V. Finisguerra, L. Capparuccia, A. Camperi, J. M. Swiercz, S. Rizzolio, C. Rolny, C. Christensen, A. Bertotti, I. Sarotto, M. Risio, L. Trusolino, J. Weitz, M. Schneider, M. Mazzone, P. M. Comoglio and L. Tamagnone
- Prolyl hydroxylase PHD3 is essential for hypoxic regulation of neutrophilic inflammation in humans and mice. J Clin Invest 121(3), 1053-1063 (2011)
S. Walmsley, E. Chilvers, A. Thompson, K. Vaughan, H. Marriott, L. Parker, G. Shaw, S. Parmar, M. Schneider, I. Sabroe, D. Dockrell, M. Milo, C. Taylor, R. Johnson, C. Pugh, P. Ratcliffe, P. Maxwell, P. Carmeliet and M. Whyte
- Deficiency of the oxygen sensor PHD1 augments liver regeneration after partial hepatectomy. Langenbecks Arch Surg 397(8), 1313-1322 (2012)
M. Mollenhauer, J. Kiss, J. Dudda, J. Kirchberg, N, Rahbari, P. Radhakrishnan, T. Niemietz, V. Rausch, J. Weitz and M. Schneider
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00423-012-0998-5) - Loss of the oxygen sensor PHD3 enhances the innate immune response to abdominal sepsis. J Immunol 189(4), 1955-1965 (2012)
J. Kiss, M. Mollenhauer, S. Walmsley, J. Kirchberg, P. Radhakrishnan, T. Niemietz, J. Dudda, G. Steinert, M. Whyte, P. Carmeliet, M. Mazzone, J. Weitz and M. Schneider
(Siehe online unter https://doi.org/10.4049/jimmunol.1103471) - Molecular oxygen sensing: implications for visceral surgery. Langenbecks Arch Surg, 397(4):603-610 (2012)
J. Kiss, J. Kirchberg and M. Schneider
