Metformin verbessert die durch oxidiertes Low-Density-Lipoprotein beeinträchtigte mitochondriale Funktion und steigert die Glukoseaufnahme über den Akt-AS160-Signalweg in Raw264.7-Makrophagen
Die Inzidenz von koronarer Herzkrankheit ist bei Typ-2-Diabetes etwa doppelt so hoch, was sie zur wichtigsten Ursache für Morbidität und Mortalität bei Diabetikern macht. Bei diabetischen Patienten wurde eine beschleunigte Atherosklerose beobachtet, wobei Hyperglykämie und Insulinresistenz als die beiden bedeutendsten Risikofaktoren identifiziert wurden. Klinische Studien und Metaanalysen zeigen jedoch nur begrenzte Vorteile einer intensiven Blutzuckersenkung auf die Gesamtmortalität und kardiovaskuläre Todesfälle. Daher sind pharmakologische Interventionen, die auf andere spezifische Mechanismen abzielen, notwendig, um das erhöhte Atheroskleroserisiko bei Diabetes zu modifizieren.
Makrophagen polarisieren in Abhängigkeit von ihrer Mikroumgebung in unterschiedliche Phänotypen. Die zwei Hauptklassen sind klassisch aktivierte (M1) proinflammatorische und alternativ aktivierte (M2) antiinflammatorische Makrophagen. Studien zeigen, dass ein Ungleichgewicht in der Makrophagenpolarisation ein Schlüsselfaktor für immunvermittelte Erkrankungen wie Autoimmunerkrankungen, Tumore und Atherosklerose ist. Sowohl M1- als auch M2-Makrophagen wurden in atherosklerotischen Plaques von Menschen und Mäusen nachgewiesen, wobei ein erhöhtes M1/M2-Verhältnis in humanen Plaques mit Instabilität assoziiert ist. In Mausmodellen beschleunigt eine verstärkte M1-Polarisation die Plaquebildung, während eine M2-Polarisation zur Regression führt. Dies legt nahe, dass die Manipulation der Makrophagenpolarisation therapeutisches Potenzial besitzt.
Die zelluläre Metabolisierung beeinflusst die Polarisation und Funktion von Makrophagen erheblich. M1-Makrophagen nutzen vorwiegend Glykolyse, während M2-Makrophagen auf Fettsäureoxidation und mitochondriale oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) zurückgreifen. Aktuelle Studien deuten darauf hin, dass Störungen des Energiestoffwechsels die M1/M2-Differenzierung und entzündliche Funktionen direkt beeinflussen. Eine Verschiebung hin zur Glykolyse fördert einen proinflammatorischen Phänotyp, während OXPHOS die antiinflammatorische Aktivierung begünstigt. Daher könnte die Regulierung des Stoffwechsels ein Ansatz zur Korrektur des Polarationsungleichgewichts in der Atherosklerose sein.
Metformin wird seit über 60 Jahren als blutzuckersenkendes Mittel bei Typ-2-Diabetes eingesetzt und zeigt in klinischen Studien kardiovaskuläre Schutzeffekte. Die zugrundeliegenden anti-atherosklerotischen Mechanismen sind jedoch unklar. Metformin verbessert den Glukose- und Lipidstoffwechsel über die Regulation mitochondrialer Funktion und AMP-aktivierter Proteinkinase (AMPK) in insulinempfindlichen Zellen. Die metabolischen Effekte auf atheroskleroserelevante Immunzellen wie Makrophagen sind jedoch kaum erforscht. Diese Studie untersuchte die Rolle von Metformin im Makrophagenstoffwechsel und dessen Einfluss auf die Polarisation unter atherogenen Bedingungen.
Murine Raw264.7-Makrophagen wurden mit oxidiertem Low-Density-Lipoprotein (Ox-LDL; 50 µg/ml) und Metformin (15 mmol/l) über 24 Stunden inkubiert. Die Transkription von M1/M2-Markern und mitochondrialer DNA (mtDNA) wurde mittels Echtzeit-PCR quantifiziert. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS), mitochondriales Membranpotential, ATP-Synthese, Glukoseaufnahme und Laktatproduktion wurden mittels Immunfluoreszenz und kommerziellen Kits analysiert. Die Proteinexpression mitochondrialer Fusions-/Fissionsproteine, lipidmetabolischer Enzyme und Glukosetransport-Signalwege wurde per Western Blot untersucht.
Metformin verbesserte den durch Ox-LDL gestörten antiinflammatorischen Phänotyp, was an der Hochregulation von IL-10 (0,76 ± 0,04 vs. 0,94 ± 0,01; P = 0,003) und Resistin-like molecule alpha (Retnla; 0,67 ± 0,08 vs. 1,78 ± 0,34; P = 0,030) erkennbar war. Gleichzeitig wurde die durch Ox-LDL reduzierte Phosphorylierung von Akt durch Metformin erhöht (0,47 ± 0,05 vs. 1,02 ± 0,08; P = 0,040), begleitet von verbesserter mitochondrialer Funktion: reduzierte ROS-Bildung (2,50 ± 0,07 vs. 2,15 ± 0,04; P = 0,040), gesteigerte Lipidoxidation und erhöhte ATP-Produktion (0,026 ± 0,001 vs. 0,035 ± 0,003; P = 0,020). Metformin-induzierte Akt-Aktivierung steigerte zudem die Phosphorylierung von AS160 (0,51 ± 0,04 vs. 1,03 ± 0,03; P = 0,0041), förderte die Membrantranslokation von GLUT1 und erhöhte die Glukoseaufnahme (4,78 ± 0,04 vs. 5,47 ± 0,01; P < 0,001).
Ox-LDL induzierte einen proinflammatorischen Phänotyp mit Hochregulation von TNF-α (1,01 ± 0,01 vs. 1,69 ± 0,29; P = 0,030) und IL-6 (1,12 ± 0,17 vs. 4,90 ± 1,66; P = 0,030) sowie Herunterregulation von IL-10 (0,96 ± 0,05 vs. 0,76 ± 0,04; P = 0,002). Metformin erhöhte signifikant die M2-Marker-Expression unter Ox-LDL-Bedingungen (IL-10: 0,76 ± 0,04 vs. 0,94 ± 0,01; P < 0,001; Retnla: 0,67 ± 0,08 vs. 1,78 ± 0,34; P = 0,030), ohne M1-Marker zu beeinflussen (TNF-α: 1,69 ± 0,29 vs. 1,56 ± 0,22; P = 0,850; IL-6: 4,90 ± 1,66 vs. 4,00 ± 1,34; P = 0,710).
Metformin verbesserte die mitochondriale Funktion durch Senkung der ROS-Produktion, Steigerung des Membranpotentials (0,67 ± 0,05 vs. 0,86 ± 0,05; P = 0,040) und Erhöhung der mtDNA-Kopienzahl (mt-ND4: 0,42 ± 0,16 vs. 1,04 ± 0,24; P = 0,040). Zudem wurde die Expression des Fusionsproteins Mfn2 erhöht (0,55 ± 0,01 vs. 0,76 ± 0,01; P = 0,002), während OPA1 und Drp-1 unbeeinflusst blieben.
Im Lipidstoffwechsel erhöhte Metformin die Expression von p-ACC (0,44 ± 0,02 vs. 0,78 ± 0,03; P = 0,002) und CPT-1b (0,61 ± 0,00 vs. 0,95 ± 0,01; P < 0,001), was auf eine gesteigerte Fettsäureoxidation hinweist. Die Glukoseaufnahme stieg unter Metformin an, begleitet von reduzierter Laktatproduktion (8,61 ± 0,67 vs. 6,42 ± 0,06; P = 0,002) und einem verringerten Laktat/Glukose-Verhältnis (1,92 ± 0,15 vs. 1,18 ± 0,01; P < 0,001), was auf eine Verschiebung von Glykolyse zu OXPHOS hindeutet.
Die Aktivierung des Akt-AS160-Signalwegs durch Metformin (p-Akt: 0,47 ± 0,05 vs. 1,02 ± 0,08; P = 0,040; p-AS160: 0,51 ± 0,04 vs. 1,03 ± 0,03; P = 0,004) war entscheidend für die gesteigerte GLUT1-Translokation und Glukoseaufnahme unter Ox-LDL-Bedingungen. AMPK und TBC1D1 zeigten keine signifikanten Veränderungen.
Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass Metformin den Makrophagenstoffwechsel so moduliert, dass ein antiinflammatorischer M2-Phänotyp begünstigt wird. Diese metabolische Reprogrammierung bietet einen neuen therapeutischen Ansatz zur Behandlung der Atherosklerose.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000000333