Zelluläre und molekulare Mechanismen der Verbesserung der Nicht-alkoholischen Steatohepatitis durch mesenchymale Stammzellen in der immundefizienten Maus
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die molekularen Ursachen der Nicht-alkoholischenb Steatohepatitis (NASH) sind im Detail bekannt. Die NASH entsteht maßgeblich durch verschiedene, parallel wirkende Einflussfaktoren. Dazu gehören oxidativer Stress, Signale aus dem Intestinum, Insulinresistenz, genetische Prädisposition, Adipokine und Fettdepots in der Leber. Das Zusammenspiel der Leber mit anderen Organen wie Darm-, Fettgewebe- und mit dem Immunsystem assoziierte Signalmoleküle (u.a. pro-inflammatorische Zytokine, Adipokine), welche mit ihren spezifischen Rezeptoren auf Parenchym- und Nichtparenchymzellen in der Leber interagieren, begünstigt die Pathogenese der NASH. So sind die Aktivierung von Makrophagen und hepatischen Sternzellen an der Entstehung der Leberentzündung bzw. der mit der NASH assoziierten Fibrose und die Fettspeicherung in den Hepatozyten an der Entgleisung der hepatischen Stoffwechselhomöostase maßgeblich beteiligt. In unseren Vorarbeiten haben wir gezeigt, dass mesenchymale Stromazellen (MSC) alle genannten zellulären Ursachen der Entstehung der NASH hemmend beeinflussen, die histo- und molekularpathologischen Veränderungen rückgängig machen und somit die Leberfunktion verbessern. Es war Gegenstand des bearbeiteten Projekts, die bis dahin unbekannten Wirkungsmechanismen der MSC aufzuklären. Wir konnten zeigen, dass die MSC die NASH in zwei unterschiedlichen Diät-induzierten Mausmodellen verbessern, nämlich in der durch eine Methionin-Cholin-defiziente sowie in einer durch Hochfett-Diät induzierten NASH. Dies belegt, dass der Mechanismus der MSC-Wirkung unabhängig vom gewählten Mausmodell ist. Die kombinierte Metabolomund Proteomanalyse mittels der Weighted Gene Correlation Network Analysis (WGCNA) sowie der Identifikation von sog. Keydrivern ergab, dass die NASH zur Entgleisung des zentralen Kohlenstoff-, Stickstoffund Fettstoffwechsels in Verbindung mit mitochondrialer und peroxisomaler Dysfunktion führt. Diese wird durch die MSC-Behandlung rückgängig gemacht, wodurch sich auch die Gewebehomöostase verbessert. Daraus kann man ableiten, dass die Verbesserung des Lipidstoffwechsels durch Verbesserung der Mitochondrienfunktion eine primäre Wirkung der MSC ist. Dies bestätigten wir in Co-Kulturen aus primären Hepatozyten und MSC, in denen die MSC den Lipidgehalt in Hepatozyten sowohl unter normalen Kulturbedingungen als auch unter fett-induzierenden Bedingungen in MCD- oder Palmitat-angereichertem Medium verringern. Die ursprüngliche Annahme, dass die MSC-Wirkung durch lösliche, von den MSC sezernierte Faktoren vermittelt würde, die dann auf Zielzellen der Leber wie Makrophagen, hepatische Sternzellen und Hepatozyten wirken, erwies sich nur teilweise als richtig. Vielmehr zeigten quantitative und videomikroskopische Analysen, dass sich zwischen MSC und Hepatozyten filopodienartige Verbindungen ausbilden, die tunnelartig zum Austausch von Material zwischen den Zellen dienen. Molekulare Analysen identifizierten diese Strukturen als sog. Tunneling Nanotubes (TNT). Wir konnten zeigen, dass die TNT dem bilateralen Austausch von Mitochondrien und Peroxisomen zwischen MSC und Hepatozyten dienen. Netto reicht die Menge der mit den MSC an Hepatozyten „gespendeten“ Mitochondrien aus, um den Lipidgehalt in Hepatozyten um ca. 40% zu senken, eine Größenordnung, die wir sowohl in vitro als auch in vivo sehen. Somit schließen wir aus unseren Arbeiten, dass die Übertragung von Mitochondrien auf Hepatozyten primärer Wirkungsmechanismus der MSC zur Verbesserung der NASH in unseren Mausmodellen ist. Dadurch wird oxidative Kapazität zum Abbau von Lipiden bereitgestellt und die Funktion der Mitochondrien wiederhergestellt. Nachfolgend vermindern sich Entzündung, Fibrose und Gewebezerstörung in der Leber, so dass die Gesamtfunktion des Organs wiederhergestellt wird. In anderen Zellsystemen ist die Übertragung von Mitochondrien von MSC auf andere Zellen in der Zwischenzeit gut dokumentiert. Unsere Arbeit zeigt diese Wirkung der MSC erstmalig in Bezug auf die NASH.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Computational Modeling in Liver Surgery Front Physiol 8 (2017) 906
Christ B, Dahmen U, Herrmann KH, König M, Reichenbach JR, Ricken T, Schleicher J, Schwen LO, Vlaic S, Waschinsky N
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Die Peroxisomen als Zielstruktur für die Stammzelltherapie bei MCD-Diät induzierter NASH in einem immundefizienten Mausmodell Z Gastroenterol 55 (2017) e57-e299
Winkler S, Kalkhof S, Brückner S, Hempel M, Bosse I, Baumann S, von Bergen M, Christ B
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Improvement of portal venous pressure in cirrhotic rat livers by systemic treatment with adipose tissuederived mesenchymal stromal cells Cytotherapy 19 (2017) 1462-1473
Brückner S, Zipprich A, Hempel M, Thonig A, Schwill F, Roderfeld M, Roeb E, Christ B
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Mesenchymal stem cells correct haemodynamic dysfunction associated with liver injury after extended resection in a pig model Sci Rep 7 (2017) 2617
Tautenhahn HM, Brückner S, Uder C, Erler S, Hempel M, von Bergen M, Brach J, Winkler S, Pankow F, Gittel C, Baunack M, Lange U, Broschewitz J, Dollinger M, Bartels M, Pietsch U, Amann K, Christ B
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Metabolic fingerprint of an immunodeficient NASH mouse model and impact after stem cell therapy J Hepatol 66 (2017): S606–S607
Winkler S, Kalkhof S, Brückner S, Hempel H, Baumann S, von Bergen M, Christ B
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Immune-Deficient Pfp/Rag2-/- Mice Featured Higher Adipose Tissue Mass and Liver Lipid Accumulation with Growing Age than Wildtype C57BL/6N Mice Cells 8 (2019) 775
Winkler S, Hempel M, Hsu MJ, Gericke M, Kühne H, Brückner S, Erler S, Burkhardt R, Christ B
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Metabolische Wirkungen mesenchymaler Stromalzellen in der nicht-alkoholischen Steatohepatitis Z Gastroenterol 57 (2019) e54-e55
Winkler S, Kratochvil I, Hempel M, Kühne H, Kalkhof S, Baumann S, Schubert K, von Bergen M, Christ B
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Physical contact between mesenchymal stromal cells and hepatocytes via tunneling nanotubes favor the utilization of hepatocyte lipids Z Gastroenterol 2019; 57(01): e4;
Hsu MJ, Hempel M, Kühne H, Christ B
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Mesenchymal stromal cells may promote lipid utilization via increment of mitochondria biogenesis in targeted hepatocytes Z Gastroenterol 58 (2020) e13
Hsu MJ, Christ M, Christ B
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Mitochondrial Transfer by Human Mesenchymal Stromal Cells Ameliorates Hepatocyte Lipid Load in a Mouse Model of NASH Biomedicines 8 (2020) 350
Hsu MJ, Karkossa I, Winkler S, Schäfer I, Christ M, Kühne H, Schubert K, Baumann S, Rolle-Kampczyk UE, Kalkhof S, Nickel S, Seibel P, von Bergen M, Christ B
