Die epidemische Zunahme der Nichtalkoholischen Fettlebererkrankungen (non-alcoholic fatty liver diseases - NAFLD) erfordert ein tieferes Verständnis der molekularen und zellulären Mechanismen, welche die Respons des Leberstoffwechsels auf Fehlernährung, Medikamente und genetische Enzymvarianten kontrollieren. Da in vivo Untersuchungen des Leberstoffwechsels von ernsten ethischen und technischen Aspekten erschwert werden, haben wir ein umfassendes, biochemisch fundiertes, kinetisches Modell des zentralen Leberstoffwechsels entwickelt, welches die Regulation der Enzymaktivitäten durch ihre Reaktionspartner, allosterische Effektoren sowie hormonabhängige Phosphorylierung beinhaltet (HEPATOKIN1). Wir zeigen den Nutzen des Modells für die Grundlagenforschung sowie medizinische und pharmakologische Anwendungen, am Beispiel der metabolischen Änderungen des Zustands der Leber als Reaktion auf Ernährung (Alkohol), Medikamente (Valproat) und erbliche Enzymstörungen (Galaktosämie) [1]. Das Modell kann dazu benutzt werden, Proteomik-Daten funktional zu verstehen, indem maximale Enzymaktivitäten für die Skalierung benutzt werden. Damit können beispielsweise individuelle Unterschiede in Stoffwechselfunktionen von normalen Hepatozyten und malignen Leberzellen (Adenom und hepatozelluläres Karzinom) in Patienten und Tiermodellen adressiert [1,2,3] oder der Unterschied in der metabolischen Funktion von portalen und zentralen Hepatozyten untersucht werden [4].

Publikationen:

1. Berndt N, Bulik S, Wallach I, Wünsch T, König M, Stockmann M, Meierhofer D, Holzhütter HG. HEPATOKIN1 is a biochemistry-based model of liver metabolism for applications in medicine and pharmacology. Nat Commun. 2018 Jun 19;9(1):2386.
2. Berndt N*, Egners A*, Mastrobuoni G*, Vvedenskaya O, Fragoulis A, Dugourd A, Bulik S, Pietzke M, Bielow C, van Gassel R, Damink SWO, Erdem M, Saez-Rodriguez J, Holzhütter HG*, Kempa S*, Cramer T*. Kinetic modelling of quantitative proteome data predicts metabolic reprogramming of liver cancer. Br J Cancer. 2020 Jan;122(2):233-244.
3. Berndt N, Eckstein J, Heucke N, Wuensch T, Gajowski R, Stockmann M, Meierhofer D, Holzhütter HG. Metabolic heterogeneity of human hepatocellular carcinoma: implications for personalized pharmacological treatment. FEBS J. 2021 Apr;288(7):2332-2346.
4. Berndt N*, Kolbe E*, Gajowski R, Eckstein J, Ott F, Meierhofer D, Holzhütter HG*, Matz-Soja M*. Functional consequences of metabolic zonation in murine livers: New insights for an old story. Hepatology. 2021 Feb;73(2):795-810.

Projektfinanzierung: Systembiologie-Programme "Virtual Liver" (Nr. 0315741) und "LiSyM" (Nr. 31L0057) sowie e:Bio (Module I) Projekt "HepatomaSys" (Nr. 0316172A), alle durch das BMBF gefördert.

Kooperationspartner:

• Martin Stockmann (Charité, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Workgroup for the Liver)
• David Meierhofer (Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Servicegruppe Massenspektrometrie)
• Madlen Matz-Soja (Universität Leipzig, Institut für Biochemie, Arbeitsgruppe Matz-Soja)
• Thorsten Cramer (Uniklinik RWTH Aachen, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Transplantationschirurgie, Molekulare Tumorbiologie)
• Stefan Kempa (Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, Medizinische Systembiologie, Proteomik/Metabolomik)

Die Fähigkeit der Leber, den metabolischen Input des einströmenden portalen und arteriellen Bluts in den Output des ausströmenden venösen Blutes zu überführen, basiert auf drei wesentlichen Faktoren: dem intrahepatischen Blutfluss, dem Austausch von Metaboliten zwischen Blutgefäßen (Sinusoiden) und Hepatozyten und der metabolischen Kapazität der Hepatozyten. Diese Faktoren variieren innerhalb der Leber: Selbst in gesunden Lebern, vielmehr aber noch in fibrotischen und zirrhotischen Organen, wurden regionale Unterschiede im kapillaren Blutdruck, der Gewebearchitektur und des Expressionsniveaus von Stoffwechselenzymen ('metabolische Zonierung') gefunden. Unser Verständnis, wie sich diese Variabilität auf die regionale Stoffwechselkapazität der Leber auswirkt, ist wichtig für die Interpretation funktioneller Lebertests und die Planung pharmakologischer und chirurgischer Interventionen. Die Leber kann als ein Ensemble einer großen Anzahl (mehr als eine Million) von sinusoidalen Gewebeeinheiten (STUs), die jeweils aus einem einzelnen Sinusoid bestehen, das vom Disse-Raum und einer Lage von Hepatozyten umgeben ist, betrachtet werden. Wir entwickeln räumlich und zeitlich aufgelöste kinetische Modelle der STU und berechnen die gesamte Stoffwechselleistung der Leber (arterio-venöse Glukosedifferenz) durch Integration über die Stoffwechselleistung einer ausreichend großen Anzahl repräsentativer STUs, die sich in ihrer anatomischen Struktur (Dicke und Länge des Sinusoids, Anzahl und Größe der Hepatozyten usw.) unterscheiden. Die Anwendung des Modells auf den hepatischen Glukosestoffwechsel führte zu folgenden Ergebnissen: (i) Bei portalen Glukosekonzentrationen zwischen 6 und 8 mM kann ein intra-sinusoidaler Glukosezyklus auftreten, der aus glukoseproduzierenden periportalen Hepatozyten und glukoseverbrauchenden perizentralen Hepatozyten besteht. (ii) Die regionale Variabilität des hepatischen Blutflusses ist höher als die entsprechende regionale Variabilität der metabolischen Leistung. (iii) Wir konstruieren ein räumlich aufgelöstes metabolisches Funktiogramm der Leber, das die metabolischen Aktivitäten in verschiedenen Leberregionen zeitlich aufgelöst darstellt. Das Modell zeigt, dass die Varianzen in den Gewebeparameter ebenso wichtig für die Kontrolle der arterio-venösen Glukosedifferenz sind wie Varianzen in den Enzymaktivitäten.

Publikationen:

• Berndt N, Horger MS, Bulik S, Holzhütter HG. A multiscale modelling approach to assess the impact of metabolic zonation and microperfusion on the hepatic carbohydrate metabolism. PLoS Comput Biol. 2018 Feb 15;14(2):e1006005.
• Berndt N, Holzhütter HG. Dynamic Metabolic Zonation of the Hepatic Glucose Metabolism Is Accomplished by Sinusoidal Plasma Gradients of Nutrients and Hormones. Front Physiol. 2018 Dec 12;9:1786.

Projektfinanzierung: Systembiologie-Programme "Virtual Liver" (Nr. 0315741) und "LiSyM" (Nr. 31L0057) sowie e:Bio (Module I) Projekt "HepatomaSys" (Nr.0316172A), alle durch das BMBF gefördert.

Kooperationspartner: Marius Horger (Universitätsklinikum Tübingen, Diagnostische and Interventionelle Radiologie)

Die Anpassung des zellulären Stoffwechsels an unterschiedliche äußere Bedingungen wird durch Änderungen in den Aktivitäten von Enzymen und Transportern bewirkt. Schnelle Änderungen basieren auf hormonabhängige, reversible Enzym-Phosphorylierung und Konzentrationsänderungen von Reaktanten und allosterischen Effektoren, während über längere Zeiträume auch Veränderungen der Proteinmenge wirksam werden können. Wir haben ein umfassendes mathematisches Modell des Glukosestoffwechsels von Rattenhepatozyten verwendet, um die relative Bedeutung der verschiedenen Regulationsarten und ihre gegenseitigen Abhängigkeiten bei der hepatischen Kontrolle der Plasmaglukosehomöostase zu untersuchen.

Unsere Modellsimulationen zeigen signifikante Unterschiede in der Fähigkeit des Leberstoffwechsels, Schwankungen der Plasmaglukose unter verschiedenen physiologischen Bedingungen (Fasten, ad libitum Nährstoffversorgung, Diabetes) auszugleichen. Änderungen der Enzymmenge passen die Stoffwechselleistung an den antizipierten physiologischen Bedarf an, können aber zu einem regulatorischen Nachteil werden, wenn plötzliche, unerwartete Änderungen der äußeren Bedingungen auftreten. Allosterische und hormonelle Kontrolle der Enzymaktivitäten erlauben es der Leber, eine breite Palette von Stoffwechselzuständen anzunehmen und können sogar Flussänderungen, die sich allein aus Änderungen der Enzymmenge ergeben würden, vollständig umzukehren. Die metabolische Kontrollanalyse zeigt, dass die Kontrolle des hepatischen Glukosestoffwechsels – je nach (patho)physiologischem Zustand – hauptsächlich durch spezifische Schlüsselenzyme ausgeübt wird, die durch Änderungen der Enzymmenge, reversible Phosphorylierung und allosterische Effekte unterschiedlich gesteuert werden.

Im hepatischen Glukosestoffwechsel ist die Regulierung der Enzymaktivitäten durch Änderungen der Reaktanten, allosterische Effekte und reversible Phosphorylierung ebenso wichtig wie Änderungen der Proteinmenge der wichtigsten regulatorischen Enzyme.

Publikation: Bulik S, Holzhütter HG, Berndt N. The relative importance of kinetic mechanisms and variable enzyme abundances for the regulation of hepatic glucose metabolism - insights from mathematical modeling. BMC Biol. 2016 Mar 2;14:15.

Projektfinanzierung: Systembiologie-Programme "Virtual Liver" (Nr. 0315741) und "LiSyM" (Nr. 31L0057) sowie e:Bio (Module I) Projekt "HepatomaSys" (Nr.0316172A), alle durch das BMBF gefördert.

Die Regulation von Schlüsselenzymen durch hormonabhängige reversible Enzymphosphorylierung ist ein entscheidender Mechanismus zur Steuerung der metabolischen Aktivität in gegenläufigen Stoffwechselwegen (z. B. Glykolyse und Glukoneogenese, Lipidsynthese und Lipolyse) [1,2]. Die hormonelle Regulation in HEPATOKIN1 [3] umfasst die Insulin- und Glukagon-abhängige reversible Phosphorylierung von Schlüsselenzymen. Die Ratengesetze für diese Enzyme berücksichtigen, dass die phosphorylierte und dephosphorylierte Form des Enzyms unterschiedliche maximale Aktivitäten sowie kinetische Eigenschaften besitzen. Bisher haben wir phänomenologische Transfer-Funktionen verwendet, um den Phosphorylierungszustand des Enzyms mit den Plasmakonzentrationen von Insulin und Glukagon in Beziehung zu setzen [2,3]. Zusätzlich zur Kurzzeitregulation von interkonvertierbaren metabolischen Enzymen sind hormonal gesteuerte Signalwege wichtige Regulatoren der Genexpression, die die Veränderung von funktionaler Proteinmenge sowohl unter physiologischen als auch pathologischen Bedingungen steuern [4].

Um die wechselseitige Abhängigkeiten der Insulin-, Glukagon- und Epinephrin-Signalwege unter normalen und pathophysiologischen Bedingungen, wie z. B. bei Diabetes Typ 2, auf den Phosphorylierungszustand von Enzymen besser zu verstehen, planen wir in einem zukünftigen Projekt kinetische Modelle zu erstellen, die den dynamischen Zustand der einzelnen Signalwegsteile (Rezeptoren, Kinasen, Phosphatasen) mittels gewöhnlicher Differentialgleichungen beschreiben. Diese Modelle berücksichtigen explizit die verschiedenen zellulären Kompartimente (Zellmembran, Zytosol, Mitochondrien und endoplasmatisches Retikulum).  Das integrierte Modell aus Metabolismus und Signalwegen soll insbesondere die metabolischen Effekte vorhersagen, die durch Agonisten und Antagonisten der Insulin-, Glukagon- und Epinephrinrezeptoren ausgelöst werden.

Publikationen:

1. König M., Bulik S. and Holzhütter HG. Quantifying the Contribution of the Liver to the Homeostasis of Plasma Glucose: A Detailed Kinetic Model of Hepatic Glucose Metabolism. PLoS Comput Biol. 2012;8(6):e1002577.
2. Bulik S, Holzhütter HG, Berndt N. The relative importance of kinetic mechanisms and variable enzyme abundances for the regulation of hepatic glucose metabolism - insights from mathematical modeling. BMC Biol. 2016 Mar 2;14:15.
3. Berndt N, Bulik S, Wallach I, Wünsch T, König M, Stockmann M, Meierhofer D, Holzhütter HG. HEPATOKIN1 is a biochemistry-based model of liver metabolism for applications in medicine and pharmacology. Nat Commun. 2018 Jun 19;9(1):2386.
4. Berndt N, Holzhütter HG. Dynamic Metabolic Zonation of the Hepatic Glucose Metabolism Is Accomplished by Sinusoidal Plasma Gradients of Nutrients and Hormones. Front Physiol. 2018 Dec 12;9:1786.

Projektfinanzierung:
Systembiologie-Programme "Virtual Liver" (Nr. 0315741) und "LiSyM" (Nr. 31L0057) sowie e:Bio (Module I) Projekt "HepatomaSys" (Nr.0316172A), alle durch das BMBF gefördert.

Die Leber reagiert auf erhöhte Plasmakonzentrationen von freien Fettsäuren mit einer verstärkten Aufnahme und Veresterung von freien Fettsäuren zu Triacylglycerin (TAG). Dies kann zu einer massiven hepatischen TAG-Akkumulation führen, die als Fettleber (Steatosis hepatis) bezeichnet wird und das erste Stadium auf dem Weg zu schwereren Lebererkrankungen wie Zirrhose, Fibrose oder Leberzellkarzinom darstellt. In Hepatozyten ist das schlecht wasserlösliche TAG entweder in Lipidtröpfchen (lipid droplets – LDs) gespeichert, die als ein vorübergehendes zelluläres Depot dienen, oder in Lipoproteinen verpackt, die TAG und Cholesterinester zu extra-hepatischen Geweben transportieren. Die Dynamik dieser "Organellen" wird durch eine Vielzahl von regulatorischen Oberflächenproteinen (regulatory surface proteins – RSPs) kontrolliert. Knockdown oder Überexpression von RSPs kann Menge und Größe der LDs signifikant beeinflussen. Bemerkenswerterweise weisen verschiedenen Zelltypen, einschließlich Hepatozyten, eine große Variabilität zwischen scheinbar gleichen Zellen bezüglich der Anzahl und Größe der in ihnen gespeicherten LDs auf. Das weist darauf hin, dass der Grad der zellulären Lipidakkumulation nicht nur durch das Ungleichgewicht zwischen Lipidzufuhr und ‑verwertung, sondern auch durch Variationen in der Expression von RSPs und Stoffwechselenzymen bestimmt wird. Um den relativen regulatorischen Einfluss der einzelnen Prozesse, die am zellulären TAG-Umsatz beteiligt sind, besser zu verstehen, haben wir ein umfassendes kinetisches Modell entwickelt, das den Fettsäure- und TAG-Stoffwechsel und die wichtigsten molekularen Prozesse, die die Dynamik der LDs bestimmen, beschreibt [1]. Wir haben das Modell benutzt, um die LD-Größenverteilungen in menschlichen Hepatozyten unter physiologischen und pathologischen Bedingungen wie Steatose, Fibrose, Zirrhose oder hepatozellulärem Karzinom zu untersuchen [2].

Publikationen:

1. Wallstab C, Eleftheriadou D, Schulz T, Damm G, Seehofer D, Borlak J, Holzhütter HG, Berndt N. A unifying mathematical model of lipid droplet metabolism reveals key molecular players in the development of hepatic steatosis. FEBS J. 2017 Oct;284(19):3245-3261.
2. Berndt N, Eckstein J, Heucke N, Gajowski R, Stockmann M, Meierhofer D, Holzhütter HG. Characterization of Lipid and Lipid Droplet Metabolism in Human HCC. Cells. 2019 May 27;8(5):512.

Projektfinanzierung: DFG-Graduiertenkolleg "Computational Systems Biology" (GRK 1722) und das Systembiologie-Programm "LiSyM" (Nr. 31L0057), gefördert durch das BMBF und die Max-Planck-Gesellschaft.

Kooperationspartner:

• Georg Damm and Daniel Seehofer (Universität Leipzig, Hepatobiliäre Chirurgie und viszerale Transplantation, Arbeitsgruppe Leberregeneration)
• Jürgen Borlak (Medizinische Hochschule Hannover, Institut für Pharmako- und Toxikogenomikforschung)
• Martin Stockmann (Charité, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Workgroup for the Liver)
• David Meierhofer (Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Servicegruppe Massenspektrometrie)

Wir haben ein mathematisches Modell der lateralen Diffusion von Lipiden und Proteinen in zellulären Membranen entwickelt. Die Bewegung von Lipiden und Proteinen entlang der Membranoberfläche wird als eine Bewegung auf einem Dreiecksgitter modelliert, die allein durch Nächste-Nachbar-Wechselwirkungen bestimmt wird. Die Lipide können zwischen zwei alternativen Zuständen der Ordnungsenergie wechseln, was zu unterschiedlichen Beweglichkeiten führt. Die Minimierung der Ordnungsenergien führt zur Bildung von Domänen flüssig-geordneter oder flüssig-ungeordneter Phase. Das Modell beinhaltet auch Proteine zweier unterschiedlicher Spezies, die eine hohe Affinität für eine der beiden Phasen haben. Die Beweglichkeiten der Lipide und Proteine wurden anhand von experimentellen Daten aus verschiedenen Modellmembranen parametrisiert. Der Einfluss von Proteingröße und -dichte auf die Bildung von Lipiddomänen kann mit dem mathematischen Modell untersucht werden. 

Die Simulationsergebnisse lieferten Hinweise auf einen Mechanismus des Lipidtransfers in die Galle, der in der gallensalzabhängigen Ablösung von Membranteilen lediglich aus den flüssig-ungeordneten Mikrodomänen der kanalikulären Membran besteht. Wir haben das Modell auf die kanalikuläre Membran von Hepatozyten angewandt, um zu untersuchen, wie Änderungen der Lipidzusammensetzung und der Proteindichte die Größenverteilung der Mikrodomänen und die Effizienz der Lipidsekretion in die Galle beeinflussen. Unsere Simulationen vermögen die in Mausmodellen gemessene Abhängigkeit der Lipidsekretion von der Gallensalzkonzentration zu reproduzieren.

Publikationen:

• Eckstein J, Holzhütter HG*, Berndt N*. Correction: The importance of membrane microdomains for bile salt-dependent biliary lipid secretion. J Cell Sci. 2018 Mar 19;131(6):jcs217414.
• Eckstein J, Holzhütter HG*, Berndt N*. The importance of membrane microdomains for bile salt-dependent biliary lipid secretion. J Cell Sci. 2018 Mar 1;131(5):jcs211524.
• Eckstein J, Berndt N*, Holzhütter HG*. Computer simulations suggest a key role of membranous nanodomains in biliary lipid secretion. PLoS Comput Biol, 2015. 11(2): p. e1004033.

Projektfinanzierung: SFB 618 "Theoretische Biologie: Robustheit, Modularitaet und evolutionaeres Design lebender Systeme" (Nr. 5485271) und Graduiertenkolleg "Computational Systems Biology" (GRK 1722), beide von der DFG gefördert, sowie das BMBF-geförderte Systembiologie-Programm "LiSyM" (Nr. 31L0057).

Kooperationspartner: Frank Lammert (Universitätsklinikum des Saarlandes und Medizinische Fakultät der Universität des Saarlandes, Gastroenterologie und Endokrinologie) 

Das Prinzip der dynamischen Leberfunktions-Atemtests beruht auf der Verabreichung eines ¹³C-markierten Arzneimittels und der anschließenden Überwachung von ¹³CO₂ in der Atemluft, welches während der hepatischen CYP-abhängigen Entgiftung aus dem Arzneimittel freigesetzt wird (quantifiziert als Änderung gegenüber dem Ausgangswert von ¹³CO₂ = delta over baseline, DOB). Ein Störfaktor, der den diagnostischen Wert solcher Tests einschränkt, ist die Tatsache, dass nur ein Teil des freigesetzten ¹³CO₂ sofort ausgeatmet wird, während ein anderer Teil von Körperkompartimenten aufgenommen wird, aus denen es mit Verzögerung in das Plasma zurückkehrt.

Wir haben eine verbesserte Variante des LiMAx-Leberfunktionstests entwickelt, die im Vergleich zum herkömmlichen Test eine deutlich höhere Spezifität und Selektivität verspricht. Um den limitierenden Faktor „systemische CO₂-Kinetik“ auszuschalten, haben wir den Atemtest erweitert, indem wir vor der Verabreichung des Testmedikaments (Methacetin®) eine definierte Dosis ¹³C-markiertes Bikarbonat verabreicht haben. Mit Hilfe der Kompartimentmodellierung war es möglich, die kinetischen Parameter, die die systemische CO₂-Verteilung und die hepatische Medikamentenentgiftung bestimmen, separat aus dem Zeitverlauf des ausgeatmeten ¹³CO₂ zu bestimmen. Bei der Anwendung auf etwa 20 gesunde Probanden und 20 Patienten mit verschiedenen Arten von Lebererkrankungen lieferte der neuartige Test im Vergleich zum herkömmlichen LiMAx-Test eine deutlich bessere Unterscheidung zwischen gesunden und kranken Lebern [1].

Publikationen:

1. Holzhütter HG, Wuensch T, Gajowski R, Berndt N, Bulik S, Meierhofer D, Stockmann M. A novel variant of the ¹³C-methacetin liver function breath test that eliminates the confounding effect of individual differences in systemic CO₂ kinetics. Arch Toxicol. 2020 Feb;94(2):401-415.

• Holzhütter HG, Lock JF, Taheri P, Bulik S, Goede A, Stockmann M. Assessment of hepatic detoxification activity: proposal of an improved variant of the (13)c-methacetin breath test. PLoS One. 2013 Aug 15;8(8):e70780.
• Lock JF, Taheri P, Bauer S, Holzhütter HG, Malinowski M, Neuhaus P, Stockmann M. Interpretation of Non-Invasive Breath Tests Using 13C-labeled Substrates - A Preliminary Report With superset13 C-Methacetin. Eur J Med Res. 2009;14(12):547-50.

Projektfinanzierung: BMBF geförderte Systembiologie-Programme "Virtual Liver" (Nr. 0315741) und "LiSyM" (Nr. 31L0057).

Kooperationspartner:

• Martin Stockmann (Charité, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Workgroup for the Liver)
• David Meierhofer (Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Servicegruppe Massenspektrometrie)

Das hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist die fünfthäufigste Krebsart und die dritthäufigste Ursache für krebsbedingte Todesfälle in der Welt. Die Inzidenz von HCC in Europa und den Vereinigten Staaten nimmt stetig zu und macht HCC zu einer zentralen Herausforderung für die allgemeine Gesundheit. HCC zeichnet sich durch hohe Therapieresistenz und sehr schlechte Prognose aus. Die meisten HCC-Fälle entwickeln sich auf der Grundlage einer vorbestehenden chronischen Lebererkrankung, aber zwischen 15% und 50% der HCC-Fälle entwickeln sich ohne ein bekanntes vorheriges Leberleiden. Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass NAFLD (non alcoholic fatty liver disease) ein relevanter Risikofaktor für HCC ist. Die Veränderung einer normalen Leberzelle (Hepatozyt) in eine Tumorzelle ist unter anderem gekennzeichnet durch Veränderungen des Stoffwechsels, der sich auch noch zwischen den verschiedenen Krebsstadien unterscheidet. In Berndt et al. 2018 [1] haben wir gezeigt, wie sich Stoffwechselprofile zwischen normalen Hepatozyten und malignen Leberzellen wie Adenomen und HCC unterscheiden. Während sich bisherige Stoffwechselstudien zu HCC vor allem auf den Glukosestoffwechsel (Warburg-Effekt) konzentrierten, wurde den tumorspezifischen Merkmalen des Lipidstoffwechsels weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Wir haben Proteinprofile von elf humanen HCCs verwendet, um personalisierte tumorspezifische kinetische Modelle des zellulären Lipidstoffwechsels einschließlich der Synthese, Reifung und des Abbaus von Lipidtropfen (lipid droplets, LDs) zu erstellen. Unsere Analyse zeigt, dass sich der LD-Stoffwechsel von Tumor zu Tumor unterschiedet, dass jedoch funktionelle und regulatorische Merkmale in hohem Maße voneinander abhängig sind. Insbesondere diejenigen HCCs, die durch einen sehr aktiven Fettsäurestoffwechsel gekennzeichnet sind, weisen regulatorische Besonderheiten auf, die sie für ein selektives Targeting empfänglich machen, ohne gesundes Gewebe zu beeinträchtigen [2].

Stoffwechselveränderungen können als Ausgangspunkte für Diagnose und Therapie dienen. Aufgrund der hochkomplexen Regulierung des zellulären Stoffwechsels ist eine eindeutige Identifizierung von Veränderungen in den Stoffwechselwegen nach wie vor eine Herausforderung und erfordert aufwendige Experimente. Während im Allgemeinen die metabolische Umprogrammierung ein charakteristisches Merkmal von Krebszellen ist, gibt es kein allgemein gültiges metabolisches Programm für alle Tumoren. Wir haben unser kinetisches Modell des zentralen Kohlenstoffstoffwechsels [1] benutzt, um die metabolische Umprogrammierung bei Leberkrebs in der Maus zu charakterisieren. Unser systembiologischer Ansatz zeigt, dass die Physiologie-basierten Stoffwechselmodelle in Kombination mit gezielten zellulären Experimenten zur Validierung ein tieferes Verständnis des deregulierten Energiestoffwechsels bei Krebs ermöglicht [3] und die in-silico-Evaluierung von Behandlungsoptionen erlaubt. Basierend auf Proteinprofilen von zehn humanen HCCs und dem angrenzenden gesunden Gewebe haben wir außerdem 18 Stoffwechselfunktionen des Kohlenhydrat-, Lipid- und Stickstoffstoffwechsel untersucht. Wir konnten zeigen, dass bei den Tumoren zwar eine allgemeine Tendenz zu einer herunterregulierten Glukoseaufnahme und Glukoseabgabe besteht, jedoch eine große Variabilität zwischen den einzelnen Tumoren vorhanden ist. Unser Ansatz bietet eine umfassende und quantitative Charakterisierung des HCC-Stoffwechsels, die den Weg für eine computergestützte a-priori-Bewertung pharmakologischer Therapien, die auf Stoffwechselprozesse des HCC abzielen, ebnen könnte [4].

Publikationen:

1. Berndt N, Bulik S, Wallach I, Wünsch T, König M, Stockmann M, Meierhofer D, Holzhütter HG. HEPATOKIN1 is a biochemistry-based model of liver metabolism for applications in medicine and pharmacology. Nat Commun. 2018 Jun 19;9(1):2386.
2. Berndt N, Eckstein J, Heucke N, Gajowski R, Stockmann M, Meierhofer D, Holzhütter HG. Characterization of Lipid and Lipid Droplet Metabolism in Human HCC. Cells. 2019 May 27;8(5):512.
3. Berndt N*, Egners A*, Mastrobuoni G*, Vvedenskaya O, Fragoulis A, Dugourd A, Bulik S, Pietzke M, Bielow C, van Gassel R, Damink SWO, Erdem M, Saez-Rodriguez J, Holzhütter HG*, Kempa S*, Cramer T*. Kinetic modelling of quantitative proteome data predicts metabolic reprogramming of liver cancer. Br J Cancer. 2020 Jan;122(2):233-244.
4. Berndt N, Eckstein J, Heucke N, Wuensch T, Gajowski R, Stockmann M, Meierhofer D, Holzhütter HG. Metabolic heterogeneity of human hepatocellular carcinoma: implications for personalized pharmacological treatment. FEBS J. 2021 Apr;288(7):2332-2346.

Projektfinanzierung: Systembiologie-Programme "Virtual Liver" (Nr. 0315741) und "LiSyM" (grant no. 31L0057), as well as the e:Bio (Module I) project "HepatomaSys" (Nr. 31L0057) sowie e:Bio (Module I) Projekt "HepatomaSys" (Nr.0316172A), alle durch das BMBF gefördert..

Kooperationspartner:

• Martin Stockmann (Charité, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Workgroup for the Liver)
• David Meierhofer (Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Servicegruppe Massenspektrometrie)
• Thorsten Cramer (Uniklinik RWTH Aachen, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Transplantationschirurgie), Molekulare Tumorbiologie
• Stefan Kempa (Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, Medizinische Systembiologie, Proteomik/Metabolomik)

Ein Schwerpunkt des BMBF-geförderten LiSyM-Projekts war die umfassende Charakterisierung der histologischen, biomechanischen und metabolischen Veränderungen während des Krankheitsverlaufs bei pädiatrischen Patienten mit durch Biopsie bestätigter nichtalkoholischer Steatohepatitis (NASH). Die zeitharmonische Ultraschall-Elastographie der Leber wurde weiterentwickelt, um eine zuverlässige Bewertung der Viskosität und Steifigkeit der Leber bei stark übergewichtigen Patienten zu ermöglichen [1]. Dies verbesserte die Vorhersage des Fibrosegrades anhand von Elastographiedaten [2]. Die modellbasierte Analyse ermöglichte eine korrekte Vorhersage des histologisch ermittelten Grads der Steatose und der Beziehung zwischen Insulinresistenz (IR) und hepatischem Glukosestoffwechsel. Ein wesentlicher Befund war, dass NASH und IR gegensätzliche Auswirkungen auf den Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel hatten, aber synergistisch die Harnstoffsynthese zugunsten einer erhöhten Glutaminfreisetzung verringerten, die eine treibende Kraft für die Entwicklung der Leberfibrose ist [3].

Weitere Aktivitäten umfassten die Berücksichtigung veränderter CYP-Aktivitäten im Tumorgewebe bei der präoperativen Volumenbestimmung [4], die Identifizierung von SNP-Varianten, die mit der pädiatrischen nichtalkoholischen Fettlebererkrankung (NAFLD) assoziiert sind [5], und die Entwicklung eines neuen Scores, der histologische Merkmale der pädiatrischen NASH mit Elastographie-Daten korreliert [6].

Publikationen: 

1. Hudert CA, Tzschätzsch H, Guo J, Rudolph B, Bläker H, Loddenkemper C, Luck W, Müller HP, Baumgart DC, Hamm B, Braun J, Holzhütter HG, Wiegand S, Sack I. US Time-Harmonic Elastography: Detection of Liver Fibrosis in Adolescents with Extreme Obesity with Nonalcoholic Fatty Liver Disease. Radiology. 2018 Jul;288(1):99-106. 
2. Hudert CA, Tzschätzsch H, Rudolph B, Bläker H, Loddenkemper C, Müller HP, Henning S, Bufler P, Hamm B, Braun J, Holzhütter HG, Wiegand S, Sack I, Guo J. Tomoelastography for the Evaluation of Pediatric Nonalcoholic Fatty Liver Disease. Invest Radiol. 2019 Apr;54(4):198-203.
3. Berndt N*, Hudert CA*, Eckstein J, Loddenkemper C, Henning S, Bufler P, Meierhofer D, Sack I, Wiegand S, Wallach I, Holzhütter HG. Alterations of Central Liver Metabolism of Pediatric Patients with Non-Alcoholic Fatty Liver Disease. Int J Mol Sci. 2022;23(19):11072.
4. Kalveram L, Schunck WH, Rothe M, Rudolph B, Loddenkemper C, Holzhütter HG, Henning S, Bufler P, Schulz M, Meierhofer D, Zhang IW, Weylandt KH, Wiegand S, Hudert CA. Regulation of the cytochrome P450 epoxyeicosanoid pathway is associated with distinct histologic features in pediatric non-alcoholic fatty liver disease. Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 2021 Jan;164:102229.
5. Hudert CA, Selinski S, Rudolph B, Bläker H, Loddenkemper C, Thielhorn R, Berndt N, Golka K, Cadenas C, Reinders J, Henning S, Bufler P, Jansen PLM, Holzhütter HG, Meierhofer D, Hengstler JG, Wiegand S. Genetic determinants of steatosis and fibrosis progression in pediatric non-alcoholic fatty liver disease. Liver Int. 2019 Mar;39(3):540-556.
6. Hudert CA, Tzschätzsch H, Rudolph B, Loddenkemper C, Holzhütter HG, Kalveram L, Wiegand S, Braun J, Sack I, Guo J. How histopathologic changes in pediatric nonalcoholic fatty liver disease influence in vivo liver stiffness. Acta Biomater. 2021 Mar 15;123:178-186.

Projektfinanzierung: BMBF-gefördertes Systembiologie-Programm "LiSyM" (Nr. 31L0057)

Kooperationspartner:

• Martin Stockmann (Charité, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Workgroup for the Liver)
• David Meierhofer (Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Servicegruppe Massenspektrometrie)
• Ingolf Sack (Charité, Klinik für Radiologie)
• Susanna Wiegand (Charité, Sozialpädiatrisches Zentrum)
• Christian Hudert & Philip Bufler (Charité, Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt Gastroenterologie, Nephrologie und Stoffwechselmedizin)

Das Gehirn ist ein Organ mit einer sehr hohen Stoffwechselrate, dessen Energieverbrauch jedoch stark von der Aktivität der neuronalen Netzwerke abhängt. Um den Energieverbrauch bei verschiedenen Aktivitätszuständen zu quantifizieren, haben wir uns dieser Frage in der CA3 Region in Hippocampus-Schnittkulturen unter definierten Bedingungen bei Begasung mit einem 20%igen O₂-Gasgemisch gewidmet. Mittels kombinierter Messungen des lokalen Feldpotentials und des interstitiellen Sauerstoffpartialdrucks (pO₂) während drei verschiedener Aktivitätszustände (schnelle Netzwerkoszillationen im Gammafrequenzband (30 bis 100 Hz), spontane Netzwerkaktivität und Abwesenheit von Spiking (Aktionspotentiale)) wurden die Sauerstoffverbrauchsraten anhand von pO₂-Tiefenprofilen mit hoher räumlicher Auflösung unter Zuhilfenahme eines mathematischen Modells, welches konvektiven Transport, Diffusion und aktivitätsabhängigen Sauerstoffverbrauch berücksichtigt, ermittelt. Wir zeigen, dass (1) die relative Sauerstoffverbrauchsrate während cholinerger Gamma-Oszillationen 2,2- bzw. 5,3-mal höher ist als bei spontaner Aktivität bzw. bei Abwesenheit von Spiking; (2) Gamma-Oszillationen bei 20%iger O₂-Begasung mit einer ähnlich starken Abnahme des pO₂ verbunden sind, wie zuvor bei einem 95%igen O₂-Gasgemisch beobachtet wurde; und (3) eine ausreichende Sauerstoffzufuhr während schneller Netzwerk-Oszillationen in vivo innerhalb eines kritischen Radius von 30 bis 40 mm um Kapillaren gewährleistet ist. Wir schließen daraus, dass die strukturellen und biophysikalischen Merkmale des Hirngewebes Schwankungen des lokalen Sauerstoffverbrauchs um einen Faktor von etwa fünf zulassen [1].

Publikationen:

1. Huchzermeyer C*, Berndt N*, Holzhütter HG*, Kann O*. Oxygen consumption rates during three different neuronal activity states in the hippocampal CA3 network. J Cereb Blood Flow Metab. 2013 Feb;33(2):263-71.

• Schoknecht K*, Berndt N*, Rösner J, Heinemann U, Dreier JP, Kovács R, Friedman A, Liotta A. Event-Associated Oxygen Consumption Rate Increases ca. Five-Fold When Interictal Activity Transforms into Seizure-Like Events In Vitro. Int J Mol Sci. 2017 Sep 7;18(9). pii: E1925.

Projektfinanzierung: Sonderforschungsbereich (SFB) 618 "Theoretische Biologie: Robustheit, Modularität und evolutionäres Design lebender Systeme" (Projektnr. 5485271), gefördert durch die DFG.

Kooperationspartner:

• Oliver Kann (Medizinische Fakultät Heidelberg, Institut für Physiologie und Pathophysiologie)
• Christine Huchzermeyer (alumna der Charité, Institut für Neurophysiologie)

Intrazelluläre Fluoreszenz der reduzierten Form von Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (Phosphat) (NAD(P)H) ist eine der wenigen Größen, die eine direkte nichtinvasive Messung von Mitochondrienfunktion gestatten und damit Rückschlüsse auf metabolische Prozesse in neuronalen Geweben ermöglichen. Die NAD(P)H Fluoreszenz ist das Ergebnis verschiedener molekularer Prozesse und wird z.B. von der intrazellulären Kalziumdynamik, der Aktivität des Tricarbonsäurezyklus, dem Malat-Aspartat-Shuttle, dem Glycerin-3-Phosphat-Shuttle, der Sauerstoffversorgung oder dem ATP-Bedarf beeinflusst. Nach Stimulation zeigt die NAD(P)H-Fluoreszenzintensität häufig eine biphasische Dynamik bestehend aus einem initialen Abfall gefolgt von einem späteren Überschuss. Um den Einfluss der verschiedenen Prozesse auf diese Dynamik zu verstehen, haben wir ein detailliertes physiologisches mathematisches Modell des Energiestoffwechsels neuronaler Zellen entwickelt und zur Simulation metabolischer Veränderungen einzelner Zellen und Gewebeschnitte unter verschiedenen Bedingungen wie Stimulus-induzierter Aktivität oder variierendes Angebots von Glukose, Pyruvat oder Laktat verwendet [1]. Dieser Ansatz erklärt unterschiedliche und manchmal sogar scheinbar gegensätzliche experimentelle Befunde und verbessert maßgeblich unser mechanistisches Verständnis der metabolischen Veränderungen, die den NAD(P)H-Fluoreszenztransienten in lebenden Zellen zugrunde liegen. In nachfolgenden Studien habe wir mithilfe des Models den Energiestoffwechsel, der der kortikalen Informationsverarbeitung zugrunde liegt untersucht [2]. Wir konnten zeigen, dass Gamma-Oszillationen mit hohem Energieverbrauch eine Blutflussantwort notwendig machen, um den Sauerstoffbedarf der aktiven Mitochondrien zu entsprechen. Unsere Daten zeigen, dass der Energieverbrauch stark vom Aktivitätszustand des neuronalen Netzes abhängt und besonders bei höheren Hirnfunktionen kritische Werte erreichen kann.

In anderen Studie haben wir das Modell benutzt, um den Energiestoffwechsels unter verschiedenen physiologischen und pathologischen Bedingungen wie neurodegenerativen Erkrankungen, Epilepsie, Demyelinierung oder Narkose zu bewerten (siehe die anderen Projektbeschreibungen).

Publikationen:

1. Berndt N, Kann O, Holzhütter HG. Physiology-based kinetic modeling of neuronal energy metabolism unravels the molecular basis of temporal NAD(P)H fluorescence profiles. J Cereb Blood Flow Metab. 2015 Sep;35(9):1494-506.
2. Schneider J*, Berndt N*, Papageorgiou IE, Maurer J, Bulik S, Both M, Draguhn A, Holzhütter HG, Kann O. Local oxygen homeostasis during various neuronal network activity states in the mouse hippocampus. J Cereb Blood Flow Metab. 2019 May;39(5):859-873.

• Schoknecht K*, Berndt N*, Rösner J, Heinemann U, Dreier JP, Kovács R, Friedman A, Liotta A. Event-Associated Oxygen Consumption Rate Increases ca. Five-Fold When Interictal Activity Transforms into Seizure-Like Events In Vitro.  Int J Mol Sci. 2017 Sep 7;18(9). pii: E1925.
• Berndt N, Bulik S, Holzhütter HG. Corrigendum to "Kinetic Modeling of the Mitochondrial Energy Metabolism of Neuronal Cells: The Impact of Reduced alpha-Ketoglutarate Dehydrogenase Activities on ATP Production and Generation of Reactive Oxygen Species."  Int J Cell Biol. 2018 Sep 9;2018:6139262.
• Berndt N, Bulik S, Holzhütter HG. Kinetic Modeling of the Mitochondrial Energy Metabolism of Neuronal Cells: The Impact of Reduced α-Ketoglutarate Dehydrogenase Activities on ATP Production and Generation of Reactive Oxygen Species. Int J Cell Biol. 2012;2012:757594.

Projektfinanzierung: Das Projekt wurde teilweise durch die DFG (Projektnr. 650953 und 408355133) und das BMBF Systembiologie-Programm "Virtual Liver" (Nr. 0315741) sowie durch die DFG im Rahmen des SFB 1134 gefördert. 

Kooperationspartner:

• Oliver Kann (Medizinische Fakultät Heidelberg, Institut für Physiologie und Pathophysiologie)
• Agustin Liotta and Richard Kovács (Charité, Institut für Neurophysiologie)
• Jens Dreier (Charité, Centrum für Schlaganfallforschung Berlin (CSB))
• Karl Schoknecht (Universität Leipzig, Carl-Ludwig-Institut für Physiologie)

Immer mehr experimentelle Belege deuten darauf hin, dass eine mitochondriale Dysfunktion eine Schlüsselrolle bei der altersabhängigen Schädigung von Nervenzellen spielt, die mehreren neurodegenerativen Erkrankungen zugrunde liegt. Insbesondere eine verminderte Aktivität des α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes (KGDHC) im Gehirn, eine verminderte Aktivität des Komplexes I der Atmungskette (RC) und eine erhöhte Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) treten bei mehreren neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit und der Alzheimer-Krankheit auf. Um die den experimentellen Befunden zugrundeliegende Stoffwechselregulation zu verstehen, haben wir ein detailliertes kinetisches Modell des mitochondrialen Energiestoffwechsels entwickelt und angewendet. Modellsimulationen ergaben einen schwellenwertartigen Rückgang der ATP-Produktionsrate bei etwa 60%iger Hemmung von KGDHC, begleitet von einem deutlichen Anstieg des mitochondrialen Membranpotenzials. Wir zeigten auch, dass der Reduktionszustand derjenigen Stellen der Atmungskette, die vermutlich an der ROS-Produktion beteiligt sind, mit zunehmendem Grad der KGDHC-Hemmung abnahm, was auf eine ROS-reduzierende Wirkung der KGDHC-Hemmung hindeutet [1].

Als Nächstes haben wir das Modell auf eine Situation angewandt, in der sowohl KGDHC als auch Komplex I eine reduzierte Aktivität aufweisen. Diese Berechnungen zeigen synergistische Effekte in Bezug auf den Energiestoffwechsel, aber antagonistische Effekte in Bezug auf die ROS-Bildung: Der Rückgang der ATP-Produktionskapazität ist ausgeprägter als bei Hemmung eines der beiden Enzymkomplexe allein. Interessanterweise wird jedoch der Reduktionszustand der ROS-bildenden Stellen des beeinträchtigten Komplexes I signifikant gesenkt, wenn zusätzlich die Aktivität des KGDHC reduziert wird [2].

Publikationen:

1. Berndt N, Bulik S, Holzhütter HG. Kinetic Modeling of the Mitochondrial Energy Metabolism of Neuronal Cells: The Impact of Reduced α-Ketoglutarate Dehydrogenase Activities on ATP Production and Generation of Reactive Oxygen Species. Int J Cell Biol. 2012;2012:757594.
2. Berndt N, Holzhütter HG, Bulik S. Implications of enzyme deficiencies on mitochondrial energy metabolism and reactive oxygen species formation of neurons involved in rotenone-induced Parkinson's disease: a model-based analysis. FEBS J. 2013 Oct;280(20):5080-93.

• Berndt N, Bulik S, Holzhütter HG. Corrigendum to "Kinetic Modeling of the Mitochondrial Energy Metabolism of Neuronal Cells: The Impact of Reduced alpha-Ketoglutarate Dehydrogenase Activities on ATP Production and Generation of Reactive Oxygen Species." Int J Cell Biol. 2018 Sep 9;2018:6139262.

Projektfinanzierung: Das Projekt wurde teilweise durch das BMBF Systembiologie-Programm "Virtual Liver" (Nr. 0315741) gefördert.

Die Vollnarkose ist ein medikamentös induzierter, reversibler Zustand der Bewusstlosigkeit, Amnesie, Analgesie und Akinesie. Das kortikale Elektroenzephalogramm zeigt typische dosisabhängige Veränderungen während der Anästhesie mit charakteristischen Phasen neuronaler Aktivität. Trotz unbestreitbarer Verbesserungen in der Anästhesiologie wachsen die Bedenken hinsichtlich der langfristigen Auswirkungen von Anästhetika auf das zentrale Nervensystem. Insbesondere die Tiefenanästhesie wird mit postoperativem Delirium, langanhaltenden postoperativen kognitiven Funktionsstörungen und erhöhter Sterblichkeit in Verbindung gebracht. Die Rolle der Anästhetika bei diesen neurologischen Komplikationen ist nach wie vor unklar und bedarf dringend der Klärung.

Propofol ist das am häufigsten verwendete intravenöse Anästhetikum zur Einleitung und Aufrechterhaltung der Narkose und wirkt in erster Linie als GABAA-Agonist, doch sind auch Auswirkungen auf andere neuronale Rezeptoren und spannungsabhängige Ionenkanäle beschrieben worden. Neben seiner direkten Wirkung auf die Neurotransmission wird vermutet, dass die Beeinträchtigung der Mitochondrienfunktion in Neuronen für die Neurotoxizität und die postoperative Hirnfunktionsstörung verantwortlich ist. Um die potenziell neurotoxische Wirkung genauer zu klären, untersuchten wir die Auswirkungen von Propofol auf den neuronalen Energiestoffwechsel von Hippocampusschnitten des Stratum pyramidale des Areals CA3 bei verschiedenen Aktivitätszuständen. Wir kombinierten Sauerstoffmessungen, Elektrophysiologie und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)-Bildgebung mit computergestützter Modellierung, um molekulare Ziele im mitochondrialen Energiestoffwechsel aufzudecken, die direkt durch Propofol gehemmt werden. Wir fanden heraus, dass hohe Konzentrationen von Propofol (100 μM) die Populations-Spikes, das Paar-Puls-Verhältnis, die zerebrale metabolische Rate des Sauerstoffverbrauchs (CMRO₂), die Frequenz und die Leistung der Gamma-Oszillationen signifikant verringern und die FAD-Oxidation erhöhen. Modellbasierte Simulationen des mitochondrialen FAD-Redoxzustands bei Hemmung verschiedener Komplexe der Atmungskette und der Pyruvat-Dehydrogenase zeigen, dass die Veränderungen der FAD-Autofluoreszenz während der Propofol-Verabreichung mit einer starken direkten Hemmung des Komplexes II (cxII) der Atmungskette erklärt werden können. Während sich diese Hemmung unter normalen Bedingungen nicht auf die ATP-Verfügbarkeit auswirkt, kann sie sich bei hohem Energiebedarf bemerkbar machen. Unsere Daten unterstützen die Vorstellung, dass Propofol zu Neurotoxizität und neuronaler Dysfunktion führen kann, indem es den Energiestoffwechsel in Neuronen direkt beeinflusst.

In neueren Studien haben wir auch die Wirkung der Anästhetika Isofluran und Sevofluran auf die neuronale Übertragung und den Stoffwechsel bei Wistar-Ratten und in Gehirnschnittpräparaten untersucht [2, 3].

Publikationen:

1. Berndt N, Rösner J, Haq RU, Kann O, Kovács R, Holzhütter HG, Spies C, Liotta A. Possible neurotoxicity of the anesthetic propofol: evidence for the inhibition of complex II of the respiratory chain in area CA3 of rat hippocampal slices. Arch Toxicol. 2018 Oct;92(10):3191-3205.
2. Berndt N, Kovács R, Schoknecht K, Rösner J, Reiffurth C, Maechler M, Holzhütter HG, Dreier JP, Spies C, Liotta A. Low neuronal metabolism during isoflurane-induced burst suppression is related to synaptic inhibition while neurovascular coupling and mitochondrial function remain intact. J Cereb Blood Flow Metab. 2021 Apr 25;271678X211010353.
3. Maechler M, Rösner J, Wallach I, Geiger JRP, Spies C, Liotta A*, Berndt N*. Sevoflurane Effects on Neuronal Energy Metabolism Correlate with Activity States while Mitochondrial Function Remains Intact. Int J Mol Sci. 2022 Mar 11;23(6):3037.

Projektfinanzierung: Dieses Projekt ist teilweise durch die DFG (Projektnr. 650953 und 408355133) und durch das BMBF im Rahmen des Systembiologie-Programms "LiSyM" (Nr. 31L0057) finanziert. Agustin Liotta ist Teilnehmer am BIH Charité Clinician Scientist Program, finanziert durch die Charité – Universitätsmedizin Berlin und das Berlin Institute of Health.

Kooperationpartner:

• Agustin Liotta, Richard Kovács und Jörg Geiger (Charité, Institut für Neurophysiologie)
• Jörg Rösner (Charité, Neurowissenschaftliches Forschungszentrum)
• Oliver Kann (Medizinische Fakultät Heidelberg, Institut für Physiologie und Pathophysiologie)
• Claudia Spies (Charité, Klinik für Anästhesiologie mit Schwerpunkt operative Intensivmedizin)
• Jens Dreier (Charité, Centrum für Schlaganfallforschung Berlin (CSB))
• Karl Schoknecht (Universität Leipzig, Carl-Ludwig-Institut für Physiologie)

Das Herz ist energetisch eines der anspruchsvollsten Organe. Ein Drittel des Zellvolumens der Herzmyozyten wird von Mitochondrien eingenommen. Pro Gramm Gewebe hat das Herz die höchste Sauerstoffverbrauchsrate und der ATP-Umsatz während eines Tages beträgt das 20-fache seines Gewichts. Dies erfordert eine robuste und hohe ATP-Produktionsrate, um die Funktionsfähigkeit des Herzens zu erhalten. ATP wird sowohl für die elektrophysiologischen Prozesse des Ionenpumpens als auch für die mechanische Arbeit in seinem kontraktilen Apparat verbraucht. Störungen der ATP-erzeugenden Prozesse können sich daher direkt auf die kontraktile Funktion auswirken. Das Herz kann auf jede verfügbare Energiequelle wie Kohlenhydrate, Aminosäuren, Lipide und Ketonkörper zurückgreifen. Unter normalen Bedingungen ist die Oxidation freier Fettsäuren die vorherrschende Energiequelle. Sie trägt zu etwa 70% zur ATP-Produktionsrate bei, während die Nutzung von Glukose bei Ischämie, Hypoxie oder erhöhter Arbeitsbelastung zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Verwendung verschiedener Substrate wird unter physiologischen Bedingungen streng reguliert, und zwischen den verschiedenen Stoffwechselwegen gibt es eine Vielzahl von Wechselwirkungen.

Die kinetische Modellierung des Herzstoffwechsels hat eine lange Tradition, die in den späten 70er Jahren begann. Alle verfügbaren Modelle vernachlässigen aber entscheidende Faktoren, die den Energiestatus des Herzens bestimmen, wie z. B. den Einfluss der wechselnden Substratversorgung, die hormonelle Stoffwechselkontrolle oder die variable Genexpression wichtiger Stoffwechselenzyme, die für das Verständnis von Stoffwechselveränderungen bei Herzerkrankungen notwendig sind. In dieser Arbeit haben wir ein kinetisches Multipathway-Modell für Kardiomyozyten mit bisher unerreichtem Umfang und Detailgrad entwickelt [1]. Das Modell umfasst die Regulierung der Enzymaktivitäten durch allosterische Effektoren, hormonabhängige reversible Phosphorylierung und variable Proteinmengen. Für jedes Enzym wurden Ratengleichungen entwickelt, die die kinetischen und regulatorischen Eigenschaften des Enzyms berücksichtigen, wie sie in in-vitro-Tests ermittelt wurden. Wir haben das Model benutzt, um Proteindaten von Patienten mit Klappenerkrankung zu untersuchen. Wir zeigen, dass die Kapazität für die ATP-Erzeugung deutlich vermindert ist und mit dem Bedarf für die mechanische Arbeit korreliert. Es gibt allerdings große Unterschiede in der energetischen Ausstattung des Myokards auch bei Patienten, die nach gängigen klinischen und bildgebenden Markern für Hypertrophie und Funktionalität ähnlich aussehen.

Publikationen:

1. Berndt N, Eckstein J, Wallach I, Nordmeyer S, Kelm M, Kirchner M, Goubergrits L, Schafstedde M, Hennemuth A, Kraus M, Grune T, Mertins P, Kuehne T, Holzhütter HG. CARDIOKIN1: Computational Assessment of Myocardial Metabolic Capability in Healthy Controls and Patients With Valve Diseases. Circulation. 2021 Dec 14;144(24):1926-1939.

• Taegtmeyer H, Young ME, Lopaschuk GD, Abel ED, Brunengraber H, Darley-Usmar V, Des Rosiers C, Gerszten R, Glatz JF, Griffin JL, Gropler RJ, Holzhuetter HG, Kizer JR, Lewandowski ED, Malloy CR, Neubauer S, Peterson LR, Portman MA, Recchia FA, Van Eyk JE, Wang TJ; American Heart Association Council on Basic Cardiovascular Sciences. Assessing Cardiac Metabolism: A Scientific Statement From the American Heart Association. Circ Res. 2016 May 13;118(10):1659-701. 
• Karlstaedt A, Fliegner D, Kararigas G, Ruderisch HS, Regitz-Zagrosek V, Holzhütter HG. CardioNet: A human metabolic network suited for the study of cardiomyocyte metabolism. BMC Syst Biol. 2012 Aug 29;6(1):114.

Projektfinanzierung: Dieses Projekt wird durch die DFG (Projektnr. 422215721) und durch das BMBF im Rahmen der EU-Initiative ERA PerMed „Personalised Medicine: Multidisciplinary Research Towards Implementation“ (Nr. 01KU2011A, „HeartMed“) finanziert.

Kooperationspartner:

• Titus Kühne (Charité, Institut für kardiovaskuläre Computer-assistierte Medizin)
• Philipp Mertins (Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, Proteomics)

Für eine einwandfreie Funktion ist das Herz auf eine koordinierte Nutzung verschiedener energieliefernder Substrate wie Glukose, Fettsäuren, Glykogen und Laktat angewiesen. Je nach Substratverfügbarkeit und Energiebedarf muss das Herz seine Stoffwechselwege so anpassen, dass sichergestellt wird, dass das Energieangebot der Nachfrage entspricht. In pathologischen Situationen wie der Aortenstenose (AS) ist die Effizienz der Herzmuskelaktivität gestört und Fehlanpassungen können zu metabolischen Veränderungen führen, die zu einer Verschlechterung der Herzfunktion beitragen. Aufgrund von technischen Limitationen und ethischer Erwägungen sind experimentelle Untersuchung des kardialen Energiestoffwechsels am Patienten nur sehr schwer oder gar nicht möglich.

In diesem Projekt stellen wir ein detailliertes, umfassendes, kinetisches Modell des zentralen Herzstoffwechsels vor [1]. Das Modell berücksichtigt biochemisches Wissen wie die Regulation von Enzymen durch kinetische, allosterische und hormonelle Faktoren. Wir zeigen, dass das Modell in der Lage ist, die kardiale Substratverwertung unter verschiedenen Bedingungen zu beschreiben. Wir verwenden das Modell, um pathologische Veränderungen des kardialen Energiestoffwechsels in Patienten mit Herzklappenerkrankungen zu untersuchen.

Die Abbildung zeigt die spezifischen energetischen Parameter myokardialer ATP-Verbrauch in Ruhe (MV_ATP(rest)), bei maximaler Arbeitsbelastung (MV_ATP(max)) und die myokardiale ATP-Produktionsreserve (MAPR) für einzelne Patienten. Im Vergleich zu den Kontrollen sind die intra-individuellen Schwankungen dieser Parameter innerhalb der beiden Patientengruppen viel größer (siehe Boxplots B-D). Bei Patienten mit Mitralklappeninsuffizienz ist  MV_ATP(rest) signifikant erhöht, während MV_ATP(max) im Vergleich zu den Kontrollen signifikant erniedrigt ist. Bei Patienten mit AS ist MV_ATP(rest) ebenfalls signifikant erhöht und MV_ATP(max) signifikant erniedrigt. In beiden Patientengruppen ist MAPR im Durchschnitt signifikant niedriger als bei den Kontrollen. Somit haben beide Patientengruppen im Durchschnitt eine verringerte ATP-Produktionsreserve, die sowohl durch eine erhöhte MV_ATP(rest) als auch eine verringerte MV_ATP(max) bedingt ist.

Publications:

1. Berndt N, Eckstein J, Wallach I, Nordmeyer S, Kelm M, Kirchner M, Goubergrits L, Schafstedde M, Hennemuth A, Kraus M, Grune T, Mertins P, Kuehne T, Holzhütter HG. CARDIOKIN1: Computational Assessment of Myocardial Metabolic Capability in Healthy Controls and Patients With Valve Diseases. Circulation. 2021 Dec 14;144(24):1926-1939.

Projektfinanzierung: Dieses Projekt wird durch die DFG (Projektnr. 422215721) und durch das BMBF im Rahmen der EU-Initiative ERA PerMed „Personalised Medicine: Multidisciplinary Research Towards Implementation“ (Nr. 01KU2011A, „HeartMed“) finanziert.

Kooperationspartner:

• Titus Kühne (Charité, Institut für kardiovaskuläre Computer-assistierte Medizin)
• Philipp Mertins (Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, Proteomics)

Diabetes mellitus ist eine weltweit epidemisch wachsende Krankheit mit einer Gesamtprävalenz von 9,8% in Deutschland im Jahr 2015, wobei die überwiegende Mehrheit der Fälle (9,5%) auf Diabetes mellitus Typ 2 zurückzuführen ist. Die Herzinsuffizienz, die häufigste kardiovaskuläre Erkrankung im Zusammenhang mit Diabetes, ist ein klinisches Syndrom, bei dem die Pumpfunktion des Herzmuskels nicht ausreicht, um die physiologischen Anforderungen einer Person aufrechtzuerhalten und zu unterstützen. Eine Herzinsuffizienz bei einem Patienten mit Diabetes kann durch eine Schädigung des Herzmuskels infolge eines ischämischen oder thrombotischen Ereignisses entstehen. In vielen Fällen lässt sich die Herzinsuffizienz jedoch nicht auf eine kardiovaskuläre Erkrankung wie Bluthochdruck oder eine koronare Herzkrankheit zurückführen.

Adaptive Prozesse beginnen oft auf zellulärer Ebene durch Veränderungen in den Signal- und Stoffwechselwegen, entwickeln sich typischerweise zu Veränderungen in der strukturellen Organisation des Gewebes, wie z. B. einer verstärkten Bildung von extrazellulärer Matrix (Fibrose), und führen schließlich zu Veränderungen von Funktionsparametern wie z.B. der Herzleistung. Ein Hauptproblem bei der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen besteht in der schlechten Vorhersagbarkeit der Reaktionen, die durch medizinische Eingriffe – sei es diätetisch, pharmakologisch oder chirurgisch – hervorgerufen werden können. Im schlimmsten Fall können behandlungsbedingte adaptive Veränderungen die pathologische Situation sogar noch verschlimmern. Ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung dieses Dilemmas besteht in der Verwendung mathematischer Modelle, die das vorhandene Wissen über zentrale molekulare und physiologische Schaltkreise auf zellulärer Ebene integrieren und zuverlässige Vorhersagen über die Funktions- und Leistungsfähigkeit des Herzens als Reaktion auf einen Eingriff ermöglichen.

Ziel dieses Projekts ist es, die mit dem diabetischen Herzen verbundenen metabolischen und funktionellen Veränderungen systematisch zu untersuchen. Zu diesem Zweck haben wir ein computergestütztes Modell des kardialen Energiestoffwechsels entwickelt, getestet und verifiziert [1]. Das Hauptziel besteht darin, die kurz- und langfristigen metabolischen Anpassungen der Kardiomyozyten und die funktionellen metabolischen Veränderungen zu verstehen, die sich aus den Veränderungen der Enzymmenge und der Signalwege in Abhängigkeit von der externen Substratversorgung, den hormonellen Reizen und dem internen Bedarf ergeben.

Publikation:

1. Berndt N, Eckstein J, Wallach I, Nordmeyer S, Kelm M, Kirchner M, Goubergrits L, Schafstedde M, Hennemuth A, Kraus M, Grune T, Mertins P, Kuehne T, Holzhütter HG. CARDIOKIN1: Computational Assessment of Myocardial Metabolic Capability in Healthy Controls and Patients With Valve Diseases. Circulation. 2021 Dec 14;144(24):1926-1939.

Projektfinanzierung: Dieses Projekt wird durch die DFG (Projektnr. 422215721) finanziert.

Kooperationspartner: Tilman Grune (Deutsches Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke (DIfE)/Abteilung Molekulare Toxikologie)