Projektbeschreibung

Hintergrund

Die Ferroptose beschreibt eine eisenabhängige Form des regulierten Zelltods, die sich sowohl morphologisch als auch biochemisch deutlich von klassischen Zelltodmechanismen wie Apoptose, Nekrose oder Autophagie unterscheidet. Charakteristisch für ferroptotische Prozesse ist die massive eisenkatalysierte Lipidperoxidation biologischer Membranen, die zur Zerstörung der Zellintegrität führt. Im Zentrum der aktuellen Forschung stehen dabei insbesondere Störungen des zellulären Redoxgleichgewichts, Veränderungen des Eisenstoffwechsels sowie die Akkumulation reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). Eine Schlüsselrolle spielt hierbei die Glutathion-abhängige Glutathionperoxidase 4 (GPX4), die unter physiologischen Bedingungen toxische Lipidperoxide neutralisiert und somit ferroptotische Zellschäden verhindert. Ebenso relevant ist das sogenannte System Xc⁻, ein Cystin/Glutamat-Antiporter, der für die Bereitstellung von Cystein zur Synthese des Antioxidans Glutathion essenziell ist. Die Hemmung dieser Schutzmechanismen wird genutzt, um den ferroptotischen Zelltod experimentell auszulösen. 

Die wissenschaftliche und medizinische Bedeutung der Ferroptose hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen, da ferroptotische Signalwege mit einer Vielzahl pathophysiologischer Prozesse in Verbindung gebracht werden. Insbesondere neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer-Krankheit oder Parkinson-Krankheit werden zunehmend mit einer überschießenden ferroptotischen Zellschädigung assoziiert. In diesem Zusammenhang besteht ein wesentliches Forschungsziel darin, ferroptotische Prozesse pharmakologisch zu hemmen, um neuronale Zellverluste zu verhindern. Parallel dazu richtet sich ein weiterer Schwerpunkt der internationalen Forschung auf die gezielte Aktivierung der Ferroptose in Tumorzellen. Da zahlreiche maligne Zellen Resistenzen gegenüber apoptotischen Signalwegen entwickeln, gilt die Induktion ferroptotischer Mechanismen mittlerweile als vielversprechende alternative Strategie der Krebsbehandlung.

Trotz erheblicher Fortschritte existieren gegenwärtig jedoch noch keine international einheitlichen Richtlinien zur Standardisierung experimenteller Bedingungen und Nachweisverfahren ferroptotischer Prozesse. Unterschiede hinsichtlich Zellmodellen, verwendeter Induktoren, Biomarker oder analytischer Methoden erschweren daher häufig die direkte Vergleichbarkeit wissenschaftlicher Ergebnisse. In der Folge entstehen teilweise widersprüchliche Befunde zwischen verschiedenen Forschungsgruppen, was die Interpretation experimenteller Daten derzeit noch limitiert.

Zielsetzung

Das beantragte Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel, zentrale molekulare Mechanismen der Ferroptose in humanen dopaminergen Nervenzellen systematisch zu charakterisieren und daraus ein standardisierbares experimentelles Modell für neurobiologische und toxikologische Fragestellungen zu entwickeln. Im Mittelpunkt steht die Frage, welche zellulären Faktoren darüber entscheiden, ob Nervenzellen gegenüber ferroptotischen Stimuli resistent bleiben oder in einen ferroptotischen beziehungsweise apoptotischen Zelltod übergehen. Die Ergebnisse sollen sowohl zum grundlegenden Verständnis ferroptotischer Prozesse beitragen als auch neue Ansätze für therapeutische Strategien zur Hemmung oder gezielten Aktivierung der Ferroptose liefern.

Arbeitspaket 1 

Konzentriert sich auf die Etablierung einer experimentellen Referenzplattform zur Analyse zentraler ferroptoserelevanter Regulationsmechanismen in humanen dopaminergen LUHMES-Zellen. Ziel ist die Identifikation funktioneller Schwellenwerte, die die Sensitivität der Zellen gegenüber ferroptotischen Reizen bestimmen. Im Fokus stehen dabei drei eng verknüpfte Faktoren: die intrazelluläre Eisenverfügbarkeit, der Glutathionhaushalt sowie die mitochondriale Energieversorgung. Zunächst sollen standardisierte Methoden zur quantitativen Bestimmung des Gesamtzellulären Eisens und des redox-aktiven „Labile Iron Pool“ (LIP) etabliert werden. Aufbauend darauf wird untersucht, wie Veränderungen des intrazellulären Eisenangebotes die Ferroptose-Sensitivität beeinflussen. Gleichzeitig soll analysiert werden, wie Veränderungen des Glutathion-Status die Balance zwischen protektiven antioxidativen Mechanismen und ferroptotischer Schädigung regulieren. Ein zentrales Ziel besteht darin zu klären, ob eine partielle Glutathion-Depletion als molekularer Schalter zwischen apoptotischem und ferroptotischem Zelltod fungiert. Ergänzend wird untersucht, welchen Einfluss eine überwiegend glykolytische beziehungsweise mitochondriale ATP-Bereitstellung auf die Vulnerabilität der Zellen besitzt. Die Ergebnisse sollen als Referenzgrundlage für zukünftige Standardisierungen in der Ferroptose-Forschung dienen.

Arbeitspaket 2

Untersucht den Einfluss entzündlich aktivierter Astrozyten auf ferroptoserelevante Prozesse in dopaminergen Neuronen. Hierfür wird ein humanes Co-Kulturmodell aus LUHMES-Neuronen und aus iPS-Zellen differenzierten Astrozyten etabliert. Ziel ist es, den Beitrag neuroinflammatorischer Prozesse zur Regulation ferroptotischer Signalwege aufzuklären. Im Mittelpunkt stehen dabei Veränderungen der glialen Glutathion-Versorgung, der neuronalen Eisenverfügbarkeit sowie oxidativer und nitrosativer Modifikationen zentraler Ferroptose-Regulatoren wie GPx4, FSP1 und DHODH. Es soll untersucht werden, wie inflammatorische Prozesse die Balance zwischen protektiven und zellschädigenden Mechanismen verschieben und dadurch die Vulnerabilität von Nervenzellen gegenüber Ferroptose beeinflussen. Die Identifikation solcher Mechanismen soll neue therapeutische Ansatzpunkte für neurodegenerative Erkrankungen liefern.

Arbeitspaket 3 

Verfolgt das Ziel, ein sensititives und mechanistisch validiertes in-vitro-Testsystem zur Identifikation ferroptoseinduzierender Substanzen zu etablieren. Auf Grundlage des optimierten LUHMES-Modells sollen bakterielle Toxine, Mykotoxine und pflanzliche Toxine systematisch auf ferroptotische Wirkmechanismen untersucht werden. Durch den parallelen Einsatz etablierter Apoptose-Induktoren soll eine eindeutige Abgrenzung zwischen ferroptotischem und apoptotischem Zelltod ermöglicht werden. Langfristiges Ziel ist der Aufbau einer Referenzdatenbank ferroptoseassoziierter Substanzen sowie die Entwicklung eines standardisierten Screening-Systems für toxikologische Fragestellungen. Das Modell soll perspektivisch für die Bewertung von Umweltchemikalien, Lebensmittelbestandteilen und industriellen Substanzen eingesetzt werden und damit einen wichtigen Beitrag zur mechanistisch orientierten toxikologischen Forschung leisten.
 

Schlagworte:

Ferroptose, Dopamin Nervenzellen, in vitro Toxikologie, Neuroinflammation, freie Radikale, Lipidperoxidation

Forschungsschwerpunkt:

NESP | Nachhaltige Entwicklung: Biomedizin, Neurobiologie, in vitro Zellmodelle, Parkinsons disease