Eisenstoffwechsel

Eisen ist ein natürliches Spurenelement. Es wird im Darm aus der Nahrung ausschließlich in zweiwertiger Form als Häm-Eisen über den Hämtransporter 1 (HCP1) oder als ionisches Eisen über den Divalenten-Metall-Transporter (DMT1) in die Enterozyten des Dünndarms aufgenommen. Von dort aus wird das Eisen über den

Eisenexporter Ferroportin in die Pfortader entlassen und dabei von Hephästin zu Fe³⁺

oxidiert, das im Blut an Apotransferrin gebunden wird (siehe Abbildung 2.31A).²⁰⁷

Abbildung 2.31: Überblick über die Eisenhomeostase. Mittig ist die Zirkulation des Eisens innerhalb des Körpers dargestellt. Es gelangt vom Dünndarm in den Blutstrom, wo es an Transferrin (Tf) gebunden wird. Dann wird es weiter zum Hauptverbraucher Knochenmark transportiert. Dort wird es in neugebildete Erythrozythen inkorporiert. Gewebsmakrophagen phagozytieren alternde Erythrozyten und verwerten so das Eisen wieder (Milz). Die Speicherung von Eisen erfolgt in den Hepatozyten in Form von Ferritin. Bei der Mobilisierung der Eisenspeicher wird das Eisen wieder an Tf gebunden und im Blut transportiert. Der zelluläre Eisentransport ist schematisch in den vier Ecken der Abbildung dargestellt:

A Nicht-Häm-Eisentransport durch einen intestinalen Enterozyten: Fe³⁺ aus der Nahrung wird von der Ferrireduktase Duodenal Cytochrom B (Dcytb) zu Fe²⁺ reduziert. Dieses wird über den Divalenten-Metall-Transporter (DMT1) in den Enterozyten transportiert. Der Export erfolgt über Ferroportin und Fe²⁺

wird dabei von Hephästin zu Fe³⁺ reoxidiert. Im Blutstrom bindet das Eisen an Apotransferrin.

B Erythrophagozytose und Eisenrecycling in einem Gewebsmakrophagen.

C Hepatozytärer Eisentransport. Die Pfeile deuten den nicht gänzlich geklärten Import und Export an.

D Eisenaufnahme durch den Transferrinzyklus im Erythroblasten.

(Graphik entnommen aus ²⁰⁸).

Transferrin (Tf) versorgt alle Zellen bedarfsangepasst mit Eisen, wobei die Erythropoese im Knochenmark für die Hämsynthese die Hauptmenge an Eisen benötigt. Nach der rezeptormediierten Aufnahme gelangt Tf in das Endosom. Das

saure Milieu führt zu einer Konformationsänderung, die die Freigabe von Eisen erleichtert. Das freigesetzte Eisen wird durch Ferrireduktase (STEAP3) zu Fe²⁺

reduziert, welches via DMT1 durch die Endosom-Membran ins Zytoplasma transportiert wird.²⁰⁹ Überschüssiges Eisen wird in Zellen der Leber, Knochenmark und Muskulatur in Form von Ferritin gespeichert, da freies Eisen in Zellen katalytisch aktiv (Fenton-Reaktion) und toxisch ist.

Die Eisenhomeostase wird von Hepcidin und Ferroportin kontrolliert. Hepcidin, ein Akutphasenprotein, steigt bei hohem Körpereisen an und induziert dann die Internalisierung und Degradation von Ferroportin. Dadurch wird die enterale Eisenresorption sowie die Freigabe von Eisen aus den Makrophagen oder Hepatozyten unterbunden (siehe Abbildung 2.32).

Abbildung 2.32: Wirkung des Hepcidins auf das Ferroportin der Enterozyten und Makrophagen.

Hepcidin bindet an Ferroportin und triggert damit dessen Internalisierung und lysosomale Degradation.

(Abbildung adaptiert aus ²⁰⁸)

Wenn ein SPIO im Körper abgebaut wird, sollte das frei werdende Fe in den zellulären Eisenpool von z.B. einer KZ eingespeist werden. Dort wird es entweder als Ferritin gespeichert oder über Ferroportin ins Blut transportiert werden, wobei der Anteil jeweils vom Gesamteisenstatus des Körpers abhängt. Im Eisenmangel wird der Hauptanteil an freiem Eisen ins Knochenmark transportiert, bei gefüllten Eisenreserven ist der Anteil eher kleiner (siehe Abbildung 2.33). Daraus folgt, dass bei der Verwendung radioaktiv markierter SPIOs, ⁵⁹Fe-markierte Erythrozyten im Blut auftauchen müssten, wenn die Partikel degradiert werden.

Abbildung 2.33 Eisenstoffwechsel im Körper: Eisen wird im Darm aus der Nahrung absorbiert, im Blut an Transferrin gebunden transportiert, in der Leber in Form von Ferritin gespeichert und im Knochenmark in neugebildete Erythrozyten eingebaut. (Abbildung übernommen aus ²¹⁰).

In der Vergangenheit, fanden Weissleder et al. bereits, dass das Eisen aus dem polydispersen dextranumhüllten SPIO AMI-25, biodegradierbar und bioverfügbar ist und in die Erythrozyten in Form von Hämoglobin inkorporiert wird.¹⁶⁵ In Studien, die Lichtmikroskope verwendeten, konnte gezeigt werden, dass das anfärbbare Eisen innerhalb von zwei Wochen nach i.v. Injektion aus der Leber der Ratten verschwand, während die ⁵⁹Fe-Daten auf eine 3 - 4-tägige Halbwertszeit in der Milz hindeuten.²¹¹ Auch im MRT zeigte sich sowohl im Tier als auch im Mensch, dass nach 3 - 7 Tagen die Schwärzung der Leber wieder in Richtung der Basislinie des normalen Gewebes rückläufig war.^40,212

Des Weiteren fand die Gruppe um Wisse, die ebenfalls AMI-25 verwendete, dass Kupffer Zellen das Eisen langsamer freisetzten als Endothelzellen.²¹³

Pouliquen et al. verwendeten ebenfalls einen dextranumhüllten SPIO, der ungefähr halb so groß ist wie AMI-25. Durch Elektronenmikroskopie fanden sie heraus, dass dieser SPIO hauptsächlich von Makrophagen aufgenommen wird. Der Metabolismus erfolgte schnell. In Lysosomen fanden sich neben den SPIOs auch Ferritin, welches vermutlich aus der Verstoffwechselung stammt. Der Rückgang des T2-Kontrastes auf den Anfangswert erfolgte schneller als bei AMI-25.¹⁷⁰

Skotland et al. verwendeten Clariscan^®, einen stärkeumhüllten 6,4 nm großen SPIO, um in vitro die Degradation in den Lysosomen nachzustellen. Der Abbau beschleunigt sich durch eine Erniedrigung des pH-Wertes von 5 auf 4,5 von 22 auf 10 Tage. Des Weiteren zeigte sich, dass die Degradation in einem Acetatpuffer langsamer als in einem chelatisierenden Citratpuffer verlief. Dies deutet darauf hin, dass bei dem Abbau der SPIOs in vivo nicht nur der saure pH der Lysosomen, sondern auch die endogenen Fe-chelatisierenden Verbindungen eine wichtige Rolle spielen.¹⁷¹

Die bisher bekannten Ergebnisse über den Abbau von SPIOs lassen folgenden Mechanismus vermuten: Der SPIO wird gegebenenfalls rezeptorvermittelt endozytiert.

Das so entstandene frühe Endosom reift zum späten Endosom heran, durch die Fusion mit einem Lysosom entsteht ein Endolysosom. Durch den sauren pH-Wert und die Anwesenheit Fe-chelatisierender Substanzen wird der SPIO degradiert (siehe Abbildung 2.34).²¹⁴

Abbildung 2.34: Aufnahme und Abbau von SPIOs in Zellen: Die SPIOs werden durch Endozytose in die Zelle aufgenommen. Das frühe Endosom wird zum späten Endosom, durch die Vereinigung mit einem Lysosom entsteht ein saures Milieu und es kommt zu Degradation der SPIOs. (Abbildung entnommen aus ²¹⁴).

Uns ging es darum zu untersuchen, ob die von uns verwendeten Hüllen und / oder der Zelltyp, in den die Partikel aufgenommen werden, einen Einfluss auf den Metabolismus haben.