Wie Kochsalz Mitochondrien beeinflusst

387 NaCl und Makrophagen Wie Kochsalz Mitochondrien beeinflusst SABRINA GEISBERGER MAX-DELBRÜCK-CENTER FÜR MOLEKULARE MEDIZIN, BERLIN Dietary high salt (HS) is a major risk factor for cardio-vascular and chronic inflammatory diseases. Sodium can increase postprandially but can also accumulate in diverse tissues. Immune cells, such as macrophages, sense this salty environment and adapt accordingly, shifting towards a more pro-inflammatory state. Mechanistically, HS inhibits complex II of the electron transport chain and thereby reduces mitochondrial function. In two independent clinical studies, an HS-diet transiently impaired human monocytic mitochondrial function. DOI: 10.1007/s12268-022-1781-y © Die Autorin 2022 ó Immunzellen sind in der Lage, ihren Stoffwechsel in Abhängigkeit von der Mikroumgebung, in der sie sich befinden, zu regulieren, um so ihre Funktion korrekt erfüllen zu können. Ein wichtiger Parameter der lokalen Mikroumgebung ist Natrium, welches das wichtigste Kation des extrazellulären Raums ist. Es spielt eine Schlüsselrolle bei der Flüssigkeitshomöostase des Körpers, der Wasserretention, der Signalübertragung in Muskeln und Neuronen und ist am Transport von Nährstoffen, Elementen, Osmolyten und Neurotransmittern über Zellmembranen beteiligt. Speisesalz (NaCl) ist die wichtigste Quelle für die Aufnahme von Natrium. Die menschliche Ernährung hat sich jedoch im Laufe der Jahre stark verändert und der Salzkonsum ist erheblich gestiegen, sodass heutzutage in den westlichen Ländern oft 10 g Salz pro Tag aufgenommen werden. Dieser hohe Salzkonsum wird mit erhöhtem Blutdruck und einem gesteigerten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Verbindung gebracht, die auf erhöhte Wassereinlagerungen, Endorganschäden an Blutgefäßen, Nieren und Herz, oxidativen Stress und hormonelle Veränderungen zurückzuführen sind [1]. Außerdem werden auch das Immunsystem und das Mikrobiom durch einen erhöhten Salzkonsum beeinträchtigt, was zu einem gesteigerten Risiko und einer VerschlimmeBIOspektrum | 04.22 | 28. Jahrgang rung chronisch-entzündlicher Autoimmunerkrankungen, wie rheumatoider Arthritis oder Multipler Sklerose [2], sowie zu Veränderungen der bakteriellen Zusammensetzung im Darm führt [3]. Nach einer salzigen Mahlzeit steigt das Natrium im Serum vorübergehend an [4]. Interessanterweise kann es sich aber auch in Geweben anreichern, wie Haut, Muskel oder Gehirn. Diese Anreicherung nimmt mit erhöhtem Salzkonsum, zunehmendem Alter und lokalen Entzündungen zu. Es hat sich gezeigt, dass Immunzellen, insbesondere ˘ Abb. 1: Salzregulation des mitochondrialen Stoffwechsels. Natrium hemmt den Komplex II der Atmungskette (ETC), wodurch der Sauerstoffverbrauch (oxygen consumption rate, OCR), das Membranpotenzial (∆ψ) und die ATP-Produktion abnehmen. Makrophagen verändern daraufhin ihre Genexpression und Funktion und werden proinflammatorischer. Makrophagen, bevorzugt in diese salzhaltigen Gewebe einwandern [5, 6]. Makrophagen: salzsensitive Immunzellen Makrophagen sind eine heterogene Population von Immunzellen des angeborenen Immunsystems. Sie erfüllen eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Funktionen, da sie in der Lage sind, ihr Transkriptions-, Stoffwechsel- und Funktionsprofil zu ändern – ein Prozess, der als Aktivierung bzw. Polarisierung bezeichnet wird. Die Extreme dieses Aktivierungsspektrums sind die klassischen, proinflammatorischen M1-Makrophagen und die alternativen, antiinflammatorischen M2-Makrophagen [7]. Wenn Makrophagen unter Hochsalz(HS)-Bedingungen aktiviert werden, verschieben sie sich in Richtung eines eher proinflammatorischen Phänotyps. Einerseits exprimieren M1Makrophagen mehr ihrer Markergene, wie Nos2, und sind in der Lage, Parasiten und Bakterien effizienter abzutöten [5, 8]. Andererseits exprimieren M2-Makrophagen geringere Mengen ihrer Markergene, wie Retnla1, dafür aber mehr entzündungsfördernde Gene, wie Cox2. Außerdem werden sie in ihrer Funktion der Regulierung anderer Immunzellen gehemmt, wie der T-ZellProliferationsinhibition [8, 9]. 388 W I S S ENS C H AFT · S PECIA L : ZELLBIOLOGI E & ZE LLANALYT IK A B D C E ˚ Abb. 2: A, Intrazelluläres Natrium und B, Sauerstoffverbrauch (basaler OCR, oxygen consumption rate) in in vitro behandelten humanen Monozyten unter Normalsalz (NS) und Hochsalz (HS). C, kombinierte Komplex II+III Aktivität in isolierten Mitochondrien unter Zugabe von NaCl oder Antimycin A (AA), relativ zu unbehandelten Mitochondrien. D, Plasmanatrium und E, damit korrelierender basaler OCR von Monozyten vor und nach einer Pizza. Daten aus [8]. Mechanismus der salzabhängigen Stoffwechselregulation Ein wichtiger Faktor bei der Aktivierung von Immunzellen ist der Stoffwechsel. Je nach Bedarf passen Immunzellen ihren Stoffwechsel an, indem sie – z. B. im Fall von M1Makrophagen – bevorzugt anaerobe Glykolyse oder – im Fall von M2-Makrophagen – Fettsäureoxidation und oxidative Phosphorylierung nutzen. So können Immunzellen gezielt ihren Energiebedarf decken, gleichzeitig aber Stoffwechselwege und -intermediate umfunktionieren. Ein Beispiel dafür ist der Krebszyklus (tricarboxylic acid (TCA)Zyklus), den M1-Makrophagen nicht dazu nutzen, um NADH + H+ zur Energiegewinnung zu produzieren. Anstelle dessen sind Metabolite wie Oxaloacetat, Succinat und Citrat wichtig für die Produktion von Stickoxid, Sauerstoffradikalen, Prostaglandinen oder auch für die Induktion proinflammato- rischer Gene [7]. Aber auch das Gegenteil ist der Fall und Stoffwechselveränderungen können sich auf den Phänotyp einer Immunzelle auswirken. Daher interessierte uns, ob eine HS-Umgebung den zentralen Kohlenstoffstoffwechsel in Makrophagen beeinflusst und dadurch möglicherweise Veränderungen in ihrer Aktivierung vermittelt. Wir führten eine Reihe metabolischer Analysen an murinen und humanen Monozyten und Makrophagen durch, welche mit LPS ± IFNγ (M1) oder IL4 ± IL13 (M2) unter Normalsalzund HS-Bedingungen aktiviert wurden. Wir fanden heraus, dass die HS-Behandlung den mitochondrialen Sauerstoffverbrauch (oxygen consumption rate, OCR) verringerte, welcher für die Erzeugung von ATP während der oxidativen Phosphorylierung benötigt wird. Auch das mitochondriale Membranpotenzial (∆ψ) und der zelluläre ATP-Gehalt waren reduziert, was auf eine mitochondriale Dys- funktion unter HS-Bedingungen schließen lässt (Abb. 1). Durch gepulste Fütterung der Zellen mit isotopenmarkierten Nährstoffen konnten wir diesen Prozess weiter aufschlüsseln. Wir fanden heraus, dass HS spezifisch die Umwandlung von Succinat zu Fumarat durch den Komplex II der mitochondrialen Elektronentransportkette (electron transport chain, ETC) reduzierte, während es keine Auswirkungen auf die Glykolyse oder andere mitochondriale Komplexe der ETC hatte. Um nachzuweisen, dass diese mitochondriale Dysfunktion ursächlich für die Aktivierungsund Funktionsunterschiede in HS-behandelten Makrophagen war, verwendeten wir pharmakologische Inhibitoren der ETC unter Normalsalzbedingungen. Sowohl eine spezifische Komplex-II- (...truncated)