Mathematische Modellierung der metabolischen Veränderungen im diabetischen Herzen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Nikolaus Berndt; Professor Dr. Tilman Grune
• Fachliche Zuordnung: Kardiologie, Angiologie ; Public Health, Gesundheitsbezogene Versorgungsforschung, Sozial- und Arbeitsmedizin
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422215721

Um eine ausreichende Bereitstellung von ATP für eine angemessene Herzfunktion zu gewährleisten müssen Kardiomyzyten ihren Metabolismus ständig an sich veränderte Bedingungen bezüglich des Nährstoffangebots (Sauerstoff, Glukose, Fettsäuren, Ketonkörper, Aminosäuren) und des Energiebedarfs anpassen. Diese Anpassung geschieht kurzzeitig durch kinetischen Regulation der metabolischen Enzyme (über Substratangebot, allosterische Regulation und Hormon gesteuerte Phosphorylierung der interkonvertierbaren Enzyme) und langfristig durch Veränderung der metabolischen Kapazitäten mittels Genexpression. Besonders Diabetes mellitus Typ2 (DMT2) zeichnet sich durch veränderte Plasmakonzentrationen von Nährstoffen und Hormonen aus und führt zu einer metabolischen Remodellierung des Herzens. Dabei verändern sich die verwendeten energieliefernden Substrate und es kann zu mitochondrialer Dysfunktion, ATP Mangel und schlussendlich verminderter Herzfunktion führen. Unser Ziel ist es ein molekular aufgelöstes kinetisches Model des Zentralstoffwechsels von Kardiomyozyten zu entwickeln, welches die Kurzzeitregulation der Enzyme aufgrund von Substratkonzentrationen, allosterischen Regulation und Hormon induzierter Phosphorylierung ebenso berücksichtigt wie die Langzeitadaptation auf Grund von veränderter Genexpression. Das Model wird die zentralen Wege des Energiestoffwechsels (Kohlenhydratstoffwechsel, Fettstoffwechsel, Amminosäurestoffwechsel) und der Radikalentgiftung enthalten. Wir werden die Veränderung der Enzymmengen während der Entwicklung von DMT2 benutzen, um die metabolischen Prozesse entsprechend zu skalieren. Mithilfe des Models lassen sich dann Vorhersagen über den metabolischen Zustand (Metabolitkonzentrationen, Flussverteilung etc.) machen. Zusätzlich werden wir die Veränderungen in den energieverbrauchenden Prozessen (Ionenströme, Herzleistung) und der Vaskularisation und die Auswirkungen auf den kardialen Energiestoffwechsel untersuchen. Experimentell Validierung des Models erfolgt durch Messung von Metabolitkonzentrationen, Austauschflüssen und Phosphorylierungsgrad von Enzymen unter verschieden Bedingungen. Proteine und ihr Phosphorylierungsgrad werden mittels Immunoblot, Metabolitkonzentrationen werden mittels HPLC oder kommerzieller Kits bestimmt werden. Wenn solche Kits nicht verfügbar sind werden wir HPLC/HPLC-MS basierte Lösungen selbst entwickeln. Mitochondrienfunktion (Sauerstoffverbrauchsrate) wird mittels XF Instrumenten (Seahorse Bioscisence) bestimmt werden. Relevante Austauschflüsse zwischen zellulären und extra-zellulären Raum wird über zeitaufgelöste Bestimmung von Metaboliten mittels LC-MS/MS erfolgen. Weiterhin stehen konfokale Laser Scanning Mikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie zur Bestimmung intrazellulärer Zustände (z.B. NAD(P)H Fluoreszenz) und Multiphotonmikroskopie für die Aufnahme des Gefäßbaumes zur Verfügung. Messung von Veränderungen kardialer Aktionspotentiale erfolgt mittels elektophysiologischer Aufnahmen in vivo.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen