FERROPath - Ferroptose als grundlegender Pathomechanismus bei Ischämie/Reperfusionsschäden im Gewebe - Koordination, Untersuchung von Ferroptose-spezifischen Biomarkern und die Rolle von oxidierten Phospholipiden in der Niere

Abstract

Ischämie-Reperfusionsschäden (IRI) tragen zu mehreren schweren medizinischen Erkrankungen bei, darunter Schlaganfall, akutes Nierenversagen (AKI), Organschäden nach Transplantationen sowie Komplikationen nach Herzstillstand. Neuere Forschung hat gezeigt, dass Ferroptose, eine regulierte Form des nekrotischen Zelltods, die durch eisenabhängige Lipidperoxidation ausgelöst wird, ein zentraler Mechanismus für Gewebeschäden während einer IRI ist. Ferroptose verursacht Schäden an der Zellmembran, die letztlich zum Aufbrechen der Zelle und zu ihrem Tod führen. Trotz ihrer Bedeutung gibt es derzeit keine verlässlichen Biomarker zum Nachweis von Ferroptose und keine klinisch etablierten Therapien zur Prävention oder Behandlung von IRI. Das FERROPath-Projekt zielte darauf ab, diese Herausforderungen durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zu bewältigen, die Fachwissen aus Lipidomik, Bioinformatik, Wirkstoffforschung, Immunologie, Organtransplantation und klinischer Forschung kombiniert. Das Hauptziel bestand darin, gemeinsame Ferroptose-Signaturen und molekulare Mechanismen in den Organen zu identifizieren und zu validieren, die am stärksten von IRI betroffen sind – darunter Gehirn, Leber, Lunge und Niere – unter Verwendung standardisierter Tiermodelle und klinischer Proben. Ein zentrales Ziel ist die Entdeckung ferroptose spezifischer Biomarker, insbesondere oxidierter Lipide, die eine zuverlässige Überwachung des Krankheitsverlaufs sowie die Bewertung therapeutischer Interventionen ermöglichen könnten. Diese Biomarker könnten außerdem als pharmakodynamische Marker bei der Entwicklung neuer, auf Ferroptose abzielender Medikamente dienen. Um zuverlässige Vergleiche zwischen experimentellen Modellen zu gewährleisten, wurden standardisierte Tiermodelle und harmonisierte Protokolle in allen beteiligten Laboren eingeführt. Dazu gehörten Verfahren zur Gewebeperfusion, Probenentnahme, Plasmapräparation, Kennzeichnung, Lagerung, Versand und Lipidextraktion. Ein harmonisierter (Oxi-)Lipidomik-Workflow auf Basis von LC-MS wurde entwickelt und für mehrere Mausgewebe validiert, darunter Niere, Leber, Lunge, Gehirn und Blutplasma. Mit diesem Ansatz wurden die nativen Lipidome jedes Gewebes charakterisiert, wobei 500–700 Lipide aus 12 Lipidklassen identifiziert wurden. Mithilfe organ- und geschlechtsspezifischer Oxi-Lipidomik-Analysen wurden ferroptosebezogene Lipidsignaturen in murinen IRI-Modellen untersucht. Insgesamt wurden mehr als 1500 Gewebe- und Plasmaproben mit quantitativen Lipidomik- und Oxilipidomik Workflows analysiert. Zusätzlich wurde eine Plattform für Massenspektrometrie-Imaging (MSI) entwickelt, um räumliche Lipidomik-Analysen von durch IRI betroffenen Geweberegionen mit hoher lateraler Auflösung zu ermöglichen. Mehrere oxidierte Lipidspezies, die mit ferroptotischen Prozessen assoziiert sind, wurden als potenzielle Biomarker identifiziert. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass die lipidomische Reaktion auf IRI stark geschlechtsspezifisch ist, wobei die Niere die deutlichsten Unterschiede zwischen männlichem und weiblichem Gewebe während der Ferroptose aufweist. Um diese Erkenntnisse auf den Menschen zu übertragen, wurden Kandidaten-Biomarker in Blutplasma-Proben von IRI-Patientinnen und -Patienten untersucht, darunter Personen mit Nieren-, Leber-, Lungen- und Hirnschädigungen. Blutplasmaproben von 25 männlichen und 25 weiblichen Patientinnen und Patienten wurden gesammelt und analysiert. Bei Schlaganfallpatienten wurden 28 oxidierte Lipide im Blutplasma als potenzielle ferroptosebezogene Biomarker identifiziert, was ihr Potenzial für die Überwachung des Krankheitsverlaufs und die Bewertung therapeutischer Maßnahmen unterstützt.