Interaktion zwischen Darmmikrobiom und Aorta – Wirkung kurzkettiger Fettsäuren auf die endotheliale Integrität

Einleitung

Für aortale Pathologien sind eine Vielzahl von Risiko- und Auslösefaktoren bekannt. Die Interaktion zwischen dem Darmmikrobiom und der Aorta sind bislang jedoch kaum verstanden. Der Begriff „Mikrobiom“ umfasst neben der Gesamtheit aller Mikroorganismen (Mikrobiota) unter anderem auch die von ihr gebildeten Metabolite. Die Wirkung der Metabolite, die im Zuge der bakteriellen Verstoffwechselung von Ballaststoffen gebildet werden, ist bisher nur unzureichend erforscht. Daher erscheint es sinnvoll, die Wirkung dieser Metabolite auf das vaskuläre Endothel der Aorta zu untersuchen. Neben Effekten auf die Integrität und Regeneration des Endothels gibt es auch bestimmte Rezeptoren und Enzyme, die zur Wirkung dieser Metabolite beitragen können. Zentrale Substanzen, die hier näher beleuchtet werden sollen, sind die kurzkettigen Fettsäuren (SCFA), die unter anderem über FFAR2/3 (free fatty acid receptor 2/3) auf vielfältige intrazelluläre Prozesse in Endothelzellen einwirken können, was sich positiv auf den Krankheitsverlauf von Gefäßerkrankungen auswirken kann.

Das intestinale Mikrobiom: Metabolite und Wirkungsmechanismen

Zahlreiche Studien legen einen Zusammenhang zwischen kardiovaskulären Erkrankungen und der Zusammensetzung des Darmmikrobioms nahe, beispielsweise konnte ein Einfluss bestimmter Metabolite auf hypertensive Erkrankungen und Atherosklerose belegt werden [1–3]. Während der Metabolit TMAO (Trimethylamin-N-Oxid) einen negativen Einfluss auf kardiovaskuläre Erkrankungen hat [4], wirken SCFA wie Acetat, Butyrat und Propionat protektiv bei kardiovaskulären Erkrankungen [5]. Bei der Fermentation der für den Menschen unverdaulichen Ballaststoffe (hauptsächlich komplexe Kohlenhydrate) durch Darmbakterien entstehen SCFA, die daraufhin über intestinale Epithelzellen resorbiert werden und nach teilweiser Verstoffwechselung in der Leber in den Blutkreislauf gelangen [6], worüber sie somit auch die Aorta und andere arterielle Gefäße erreichen. Über externe Faktoren, unter anderem die Ernährungsform und Antibiotikaeinnahme, kann die Zusammensetzung des Mikrobioms und somit auch die Produktion von Metaboliten beeinflusst werden [7]. Inwiefern die Dysregulation des Mikrobioms als Auslöser verschiedenster Krankheitsbilder infrage kommt oder ob lediglich eine Korrelation vorliegt, ist derzeit Gegenstand zahlreicher Studien. Da vaskuläre (aortale) Pathologien letztendlich auf zellulärer Ebene entstehen und sich manifestieren, ist ein Blick auf die entsprechenden zellulären Signalwege und deren Beeinflussung durch Metabolite als „Effektormoleküle“ der Darmmikrobiota zur Aufklärung von Pathomechanismen notwendig.

Für SCFA sind in verschiedensten Zelltypen schon Signalkaskaden bekannt, die durch Bindung an die Rezeptoren FFAR2/3 vermittelt werden. Während FFAR3 an ein G_i/o-Protein gekoppelt ist, welches über Inhibition der Adenylatzyklase zu einer Reduktion der cAMP-Konzentration führt, wirkt FFAR2 zusätzlich über ein G_q-Protein auf die Calciumkonzentration ein [9]. Über die rezeptorgekoppelte Wirkung hinaus können SCFA auch epigenetische Prozesse beeinflussen, wenn sie über Diffusion oder Transportermechanismen in die Zelle gelangen [10]. So inhibieren SCFA die Histondeacetylierung. Dadurch kommt es zu einer Auflockerung des Chromatins, was die Bindung von Transkriptionsfaktoren erleichtert und so zu einer gesteigerten Genexpression führt [8].

Aufbau und Funktion der Endothelzellbarriere

Um die Wirkungen kurzkettiger Fettsäuren auf Gefäßerkrankungen verstehen zu können, ist eine Auseinandersetzung mit dem physiologischen Aufbau der Endothelzellschicht, die in direkten Kontakt mit den SCFA im Blut tritt, unerlässlich:

Mechanismen, welche die Integrität des gesunden vaskulären Endothels in Abhängigkeit verschiedenster Stimuli regulieren, sind sowohl für physiologische Vorgänge als auch für die Entwicklung von Gefäßpathologien von Bedeutung. Eine Balance zwischen permeabilitätsinduzierenden Faktoren und solchen, die die Barrierefunktion etablieren und erhalten, ist für die physiologische Funktion notwendig. Eine veränderte Permeabilität und endotheliale Dysfunktion kann zum einen akut, zum Beispiel im Rahmen infektiöser Erkrankungen wie COVID-19 oder Schlaganfällen, zum anderen auch chronisch im Rahmen von Krebserkrankungen oder Diabetes mellitus auftreten [11, 12]. Ebenso liegt für Aortendissektionen und -aneurysmen ein eindeutiger Bezug zur Endothelbarriere in Form einer endothelialen Dysfunktion vor [13], hervorgerufen durch oxidativen und biomechanischen Stress (besprochen in [14]). Dies legt die Vermutung nahe, dass Zell-Zell-Kontakte, die einzelne Endothelzellen miteinander verknüpfen und eine Kommunikation über die Zelle hinaus ermöglichen, zum Pathomechanismus beitragen. Zu diesen Zell-Zell-Kontakten zählen „tight junctions“ (Occludine, Claudine), „gap junctions“ (Connexine) und „adherens junctions“ (VE-Cadherin) (s. Abb. 1). Das wichtigste Protein der „adherens junctions“ ist das VE-Cadherin, welches durch homophile Interaktionen eine Verbindung zwischen zwei benachbarten Zellen bilden kann. Die Regulation der endothelialen Integrität wird maßgeblich durch VE-Cadherin-Rekrutierung, Endozytose und Degradation mitbestimmt [12]. Darüber hinaus können sich Proteine der „tight junctions“ und der „adherens junctions“ gegenseitig beeinflussen, sodass das Vorliegen der „adherens junctions“ für die Formierung von „tight junctions“ notwendig ist. Beispielsweise wird über VE-Cadherin als Protein der „adherens junctions“ eine erhöhte Expression von Claudin‑5 als Vertreter der „tight junctions“ vermittelt [15].

Proteine, die mit VE-Cadherin interagieren, beeinflussen in entscheidendem Maße die endotheliale Permeabilität. Zu diesen zählen β‑Catenin, p120-Catenin and γ‑Catenin [16]. Über die Catenine wird über Aktinbindung zudem eine Verbindung zum Zytoskelett aufgebaut (s. Abb. 1). Interessanterweise binden auch Proteine aus dem sogenannten „polarity complex“, die unter anderem für die Entwicklung und Aufrechterhaltung der apikobasalen und planaren Polarität verantwortlich sind, an VE-Cadherin [17]. Das Protein Par‑3 ist Teil dieses „polarity complex“ und unter anderem an der Regulation endothelialer Polarität unter Flussbedingungen beteiligt [18]. Dadurch könnte Par‑3 auch eine Funktion in der Wundheilung und Regeneration von Endothelzellverbänden ausüben.

Verschiedenste Mediatoren, beispielsweise VEGF („vascular endothelial growth factor“), Zytokine, Histamin und Thrombin sind in der Lage, die Permeabilität kurz- oder längerfristig zu verändern [12]. Verschiedene Wirkungsmechanismen werden in diesem Zusammenhang diskutiert:

Eine meist permeabilitätserhöhende Phosphorylierung des VE-Cadherins an verschiedenen Tyrosinresten (Y658, Y685, Y731) wird unter anderem durch VEGF, Histamin und Bradykinin beeinflusst [19–21]. Für die Regulation der Phosphotyrosine pY658 und pY685 spielt zudem Scherstress eine entscheidende Rolle [21]. Die Phosphorylierung wird über SFK („Src-family kinases“) vermittelt, wobei die c‑Src-Kinase besonders gut untersucht ist [22, 23]. Möglicherweise wird über die Phosphorylierung neben der Bindung von assoziierten Proteinen wie p120-Catenin und β‑Catenin [24] auch die Internalisierung des VE-Cadherins vermittelt und so die Verbindung zwischen benachbarten Zellen geschwächt. Ebenso kann es durch den proteolytischen Abbau der Ektodomäne des VE-Cadherins („shedding“) durch Metalloproteasen (bspw. ADAM 10) zu einer Erhöhung der endothelialen Permeabilität kommen, was aktuell ebenso Gegenstand klinischer Untersuchungen in Bezug auf Aortenpathologien ist [25]. Ein weiterer diskutierter Mechanismus für die Regulation der Permeabilität sind Rho GTPasen (RhoA, Cdc42, Rac1), die über Phosphoinositid-3-Kinase aktiviert werden können und vor allem über das Aktinzytoskelett auf die Zell-Zell-Kontakte einwirken [26]. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Inhibition der FAK („focal adhesion kinase“) mit der Phosphorylierung von VE-Cadherin interferiert und so die Permeabilität senkt [27].

Mögliche Bedeutung von SCFA-induzierten Signalkaskaden für Gefäßpathologien

Für Erkrankungen an der Aorta wurden bisher überwiegend Untersuchungen im Tiermodell durchgeführt, wobei eine Korrelation zwischen abdominalen Aortenaneurysmata und einer Dysbiose im Darm festgestellt werden konnte [28, 29]. Neben der Beleuchtung der inflammatorischen Komponente einer endothelialen Dysfunktion scheint im Kontext der Pathophysiologie der Aortendissektion auch ein Blick auf die Zell-Zell-Kontakte interessant zu sein.

Inflammatorische Prozesse in Endothel- und Immunzellen werden via Signalkaskaden wie dem NFκB- und MAPK-Weg reguliert, welche unter anderem die Zytokinproduktion und -wirkung sowie die Adhäsion von Immunzellen beeinflussen. Die SCFA können auf diese Prozesse einwirken [1]. So konnte in mehreren Studien eine hemmende Wirkung von Propionat und Butyrat auf die TNF-α-induzierte Expression von Adhäsionsmolekülen wie ICAM‑1 und VCAM‑1, die entscheidend für die Diapedese von Leukozyten sind, festgestellt werden [30, 31]. Die Effekte von vasoaktiven Substanzen wie Angiotensin-II, TNF‑α und LPS, die bei einer Endotheldysfunktion zum Beispiel im Rahmen einer Atherosklerose übermäßig auftreten und die aortale Barrierefunktion vermindern, konnten in Teilen durch SCFA reduziert werden [32, 33]. Im Kontext der Tumorpathophysiologie konnte ebenfalls ein positiver antiangiogenetischer Effekt von Butyrat gezeigt werden, der sich unter anderem über Herabregulation der VEGFR-2-Expression manifestiert [34, 35].

Unsere Arbeitsgruppe konnte erst kürzlich erste Erkenntnisse zu den auf Zell-Zell-Kontakte wirkenden Signalwegen des Metaboliten Butyrat in aortalen Endothelzellen publizieren. Wir konnten zeigen, dass die bekannten Rezeptoren für SCFA, FFAR‑2 und FFAR‑3 sowohl in der Zellkultur von humanen aortalen Endothelzellen als auch in Aortengewebe exprimiert sind [36]. Die kurzkettige Fettsäure Butyrat beeinflusst die Integrität des Aortenendothels im Zuge einer Permeabilitätssteigerung und eines morphologischen Umbaus zum Teil über Veränderungen am VE-Cadherin, insbesondere kommt es hier zu einer Phosphorylierung des VE-Cadherins an der Aminosäure Tyrosin-731 [36]. Paradoxerweise wurde, wie zuvor beschrieben, bisher eher eine integritätsschützende Funktion von SCFA beschrieben. Neben einer Schädigung könnte eine kurzfristig erhöhte Permeabilität in Zusammenschau mit den beobachteten veränderten VE-Cadherin-Mustern auch für einen Umbauprozess im Zuge der Regeneration sprechen. Der Phosphorylierungsprozess des Tyrosin-731 am VE-Cadherin wird über die c‑Src Kinase vermittelt. Mechanistisch könnte eine Aktivierung der FFAR2/3-Rezeptoren über Inhibition der Adenylatzyklase und damit verringerten cAMP-Konzentrationen zu einer Hemmung der Proteinkinase A führen, welche schließlich, vermittelt durch die Csk Kinase, c‑Src aktivieren würde (s. Abb. 1; [36]). Diese Hypothese wird aktuell in unserem Labor experimentell geprüft.

Insgesamt zeigt sich in den meisten Untersuchungen eine antiinflammatorische und gefäßprotektive Funktion kurzkettiger Fettsäuren.

Perspektive

Für kardiovaskuläre Erkrankungen wird längst von einem möglichen therapeutischen Nutzen von SCFA ausgegangen [37]. Wichtige Therapieansätze stellen neben Stuhltransplantationen auch die Implantation von bestimmten, möglicherweise gentechnisch veränderten Bakteriengemeinschaften und die direkte Verabreichung von mikrobiellen Metaboliten dar [38]. Darüber hinaus existieren spezifische Therapieansätze zur Modifizierung der Metabolitzusammensetzung, wie die Inhibition von TMA-Lyasen, die zu reduzierten TMAO-Leveln führt und so Atherosklerose im Mausmodell vermindern konnte [39]. Ob und wie SCFA für die Prävention und/oder Therapie gefäßchirurgisch relevanter aortaler und arterieller Pathologien von Nutzen sein könnten, kann noch nicht abschließend beantwortet werden.

In vitro können bereits eindeutige Effekte von Metaboliten wie SCFA auf „gesunde“ aortale Endothelzellen beobachtet werden. Weitere In-vitro-Studien in unserem Labor werden darüber hinaus zur mechanistischen Aufklärung von Regenerationsprozessen und dem Einfluss kurzkettiger Fettsäuren beitragen. Ob die beobachteten Proteine auch in der Pathogenese von Gefäßerkrankungen relevant sind, soll anhand von Gewebe von Patienten mit Aortendissektionen und Aortenaneurysmen zukünftig vermehrt beleuchtet werden. Inwiefern sich die bisherige Studienlage zum Einfluss von Darmmetaboliten und unsere In-vitro-Ergebnisse auf die In-vivo-Situation übertragen lassen, ist aktuell Gegenstand qualitativer und quantitativer Analysen des Mikrobiotaspektrums bzw. der Zielmetabolite, SCFA und TMA(O).

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt

I. Terhorst, A. Oberhuber und T. Eierhoff geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Für diesen Beitrag wurden von den Autor/-innen keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.