Bedeutung von Eisen für die Pathogenese der Atherosklerose

Basierend auf früheren Untersuchungen unserer Gruppe gehen wir in unserer Arbeitshypothese davon aus, dass eine vermehrte Speicherung von Eisen in Geweben (Gefäßen) und in Makrophagen- hervorgerufen durch erhöhte diäterische Eisenaufnahme, chronische Entzündungsreaktionen und Infektionen - die Entwicklung und das Voranschreiten der Atherosklerose in Menschen und Mäusen fördern. Wir gehen ferner davon aus, dass häufig vorkommende genetische Polymorphismen oder Mutationen (HFE-Gen, Hämoxygenase, Haptoblobin) die Eisenverteilung im Gewebe im Hinblick auf die Entwicklung der Atherosklerose beeinflussen. Unser Projekt besteht aus zwei eng miteinander verwobenen Teilen. Der epidemiologische Teil wird im Rahmen der Bruneck Studie, einer großen prospektiven populationsbasierten Studie, durchgeführt, die seit nunmehr 20 Jahren Risikofaktoren für die Entwicklung und Progression der Atherosklerose und ihrer klinischen Manifestationen, Schlaganfall und Herzinfarkt, untersucht. Wir wollen den Zusammenhang von Laborparametern und klinischen Indikatoren von Eisenhomeostase und Eisenüberladung, Lipidstatus, Inflammation und chronischen Infektionen sowie dem Vorkommen von Polymorphismen in Genen der Eisenhomeostase für die Entwicklung der Atherosklerose und ihrer Folgeerkrankungen analysieren. Darüber hinaus wollen wir die Effekte einer Eisendepletion durch regelmäßige Phlebotomie auf Atheroskleroseverlauf und intravasale eisenvermittelte Toxizitätsmechanismen untersuchen. Im experimentellen Teil werden wir, (i) HFE-knock out Mäuse (als Modell für genetische Eisenüberladung) und (ii) Apo-E defiziente Mäuse (als Modell für eine lipidinduzierte Atherosklerose) miteinander kreuzen und die Interaktion von genetischer bzw. alimentärer Eisenüberladung, Lipidstoffwechsel und Entzündung für die Entwicklung der Atherosklerose untersuchen. Die Tiere werden mit eisen-reicher/eisenarmer Diät gefüttert, und ein Teil der Mäuse wird ferner gegenüber niedrigern Dosen von Lipopolysaccharid exponiert, um eine chronische Inflammation zu simulieren. In ähnlicher Weise werden Haptoglobin 2-2- Polymorphismus und Heme-Oxygenase-1 knock out Mäuse mit Apo-E defizienten Tieren gekreuzt und denselben Bedingungen ausgesetzt. Wir werden bei allen untersuchten Gruppen nach zwei unterschiedlichen Zeitintervallen das Ausmaß der Atherosklerose und die Expression von zentralen Genen in der Atherogenese, Immunantwort und Eisenstoffwechsel (in den Gefäßen und systemisch) quantifizieren. Die Ergebnisse dieser kombinierten humanen und experimentellen Studien werden neue Erkenntnisse zur Rolle von Eisen und Inflammation für die Pathogenese der Atherosklerose liefern und aufgrund der Verfügbarkeit unmittelbar einsetzbarer therapeutischer Strategien zur Beeinflussung des Eisenstoffwechsel (Phlebotomie, Eisenchelatoren, Nifedipin) rasch in die klinische Praxis umgesetzt werden können.

In diesem Projekt wurden die möglichen Assoziation von Veränderungen im Eisenmetabolismus mit Atherosklerose und deren Spätkomplikationen wie Schlaganfall und Herzinfarkt untersucht. Basis dafür waren zwei Ansätze: 1) Für die klinisch epidemiologische Analyse diente die populationsbasierte Bruneck-Studie als Grundlage. Hierbei wurden 800 Patienten prospektiv über 20 Jahre im Hinblick auf die Entwicklung von atherosklerosebedingten Veränderungen und Erkrankungen beobachtet. Es wurden genetische Analysen auf Polymorpismen von im Eisenmetabolismus involvierten Genen durchgeführt und diese Daten mit klinischem Verlauf, Laborparametern (wie Eisenmetabolismusparametern, Lipidprofil, HbA1c) epidemiolgosichen Daten (wie Quantifizierung der Eisenaufnahme über die Nahrung) und klinischen Endpunkten, wie Diabeteshäufigkeit, Myokardinfarkt, Schlaganfall, Intima-Media Dicke als Paramter für Frühveränderungen bei Atherosklerose assoziert. Im Rahmen dieser epidemiologischen Analysen wurde das eisenhaltige Molekül Häm untersucht, welches als Teil von Hämoglobin für den Sauerstofftransport essentiell ist und den überwiegenden Anteil des Gesamtkörpereisens in sich trägt. Es war schon bekannt, dass außerhalb von roten Blutkörperchen frei im Blut schwimmendes Hämoglobin schädliche Effekte entfalten und in Folge das Herzkreislaufrisiko, also das Risiko, einen Schlaganfall oder Herzinfarkt zu erleiden, erhöhen kann. Erstmalig konnte in der Bruneck-Studie prospektiv und repräsentativ für die Gesamtbevölkerung gezeigt werden, dass bestimmte Genvarianten, die die Konzentration des Häm-abbauenden Enzyms Hämoxygenase-1 beeinflussen, stark mit dem kardiovaskulären Risiko zusammenhängen. Hingegen zeigten Varianten in Haptoglobin, einem für die Entfernung von freiem Hämoglobin aus dem Blut essentiellen Protein, keinen solchen Zusammenhang auf. Den zweiten Schwerpunkt der epidemiologischen Analysen bildete Hepcidin, jenes Hormon welches entscheidend den systemischen Eisenstoffwechsel regelt. Ein Zusammenhang zwischen erhöhtem Hepcidin und dem Herzkreislaufrisiko wurde in ausgewählten Patientengruppen beschrieben. Dies konnte aber in unserer Zufallsprobe der Gesamtbevölkerung nicht bestätigt werden. Eine umfassende Charakterisierung von Hepcidin ergab bedeutsame Beziehungen zu Hämoglobin, Leberfunktion, Entzündung, Blutgerinnung, Alkoholkonsum und körperlicher Bewegung und definierte die relative Bedeutung dieser und anderer Faktoren. Schließlich zeigten wir, dass Hepcidinspiegel, die niedriger sind, als es für den jeweiligen Gesamtkörpereisengehalt angemessen wäre, mit erhöhtem Diabetesrisiko einhergehen. Dieses Ergebnis ist besonders relevant, da Diabetes einer der wichtigsten Risikofaktoren für Herzkreislaufkrankheiten ist und eine medikamentöse Beeinflussung von Hepcidinspiegeln sehr wahrscheinlich bald möglich sein wird.Beim experimentellen Teil haben wir ApoE Mäuse, ein klassisches Modell für Atherosklerose, mit Hfe-/- Mäusen , einem Model für genetische Eisenüberladung gekreuzt. In weiterer Folge haben wir bei diesen Tieren die Entwicklung der Atherosklerose und begleitenden Veränderungen im Stoffwechsel (v.a. Lipidstoffwechsel) und in den Gefäßen (Atherogenese, Entzüdung) untersucht. Wir konnten dabei zeigen, dass sowohl das diätetische Eisenangebot, als auch das Hämochromatosegen Hfe zu signifkanten Veränderungen der Atherogenese in der Aorta führen und diese primär auf eine Modifikation des Lipdimetabolismus in der Leber und in den Gefäßen zurückzuführen sind. Wir konnten ferner neue Mediatoren des Lipidmetabolismus identifizierten, sogenannte Lipoxine, die sich positive auf die Atherogenese über Modulierung des Lipidmetabolismus auswirken. Als zweites Model wurden ApoE Mäuse mit Lipocalin-2 (Lcn2) -/- Mäusen, einem protektiven Faktor bei Entzündungen und einem Eisen-Siderophor bindenden Protein , gekreuzt. Wir konnten zeigen, dass die Expression von Lipocalin einen Einfluß auf die Migrationsfähigkeit von neutrophilen Granulozyten bei Entzündung ausübt. In diesem Zusammenhang haben wir auch andere Funktionen von Lipocalin untersucht, die für dessen Rolle bei der Atherosklerose eine Rolle spielen könnten. So konnten wir zeigen, dass Lcn2 die Eisenhomöostase in Makrophagen und somit die Proliferation von Chlamydien, einem Erreger der mit der Pathogenese der Atherosklerose in Zusammenhang gebracht wird, beeinflußt. Eine entscheidende Rolle in der Pathogenese von atherosklerotischen Veränderungen könnte die von uns im Rahmen dieses Projektes beschriebene Bedeutung von Radikalen für die Eisenregulation in Makrophagen spielen, wo wir zeigen konnten, dass Stickstoffmonoxid (NO) den Eisenexport aus Makrophagen stimuliert. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen zeigen einen deutlichen Zusammenhang zwischen Veränderungen im Eisenstoffwechsel und Atherogenese bzw. metabolischen Veränderungen, die das Risiko für Schlaganfall und Myokardinfarkt erhöhen. Basierend auf unseren Daten ergeben sich einerseits neue Gesichtspunkte hinsichtlich genetischer und epidemiologischer Risikoprofile von Patienten sowie klare Argumente für die Sinnhaftigkeit weiterführender Studien, in denen durch Modulierung der Eisenhomeostase positive Effekte auf die Atherogenese und ihren Folgeerkrankungen erzielt werden können.