Eryptose bei chronischer Nierenkrankheit und Diabetes

Bedeutung der Eryptose bei chronischer Nierenkrankheit und Diabetes

Rote Blutkörperchen können einen programmierten Zelltod durchlaufen, die Eryptose. Wir untersuchen, warum die Eryptose bei Diabetes mellitus und chronischer Nierenkrankheit verstärkt ist und wie sie zur Anämie und zu Schäden an kleinen Gefäßen beiträgt.

Arbeitsgruppenleitung

Dr. rer. nat. Rosi Bissinger

E-Mail-Adresse: rosi.bissinger@med.uni-tuebingen.de

Wissenschafliche Thematik

Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) leben normalerweise etwa 120 Tage. Sie haben weder Zellkern noch Mitochondrien. Trotzdem können sie einen eigenen, geregelten Zelltod durchlaufen, der als Eryptose bezeichnet wurde [1].

Bei der Eryptose schrumpft der Erythrozyt. Außerdem gelangt das Membranlipid Phosphatidylserin von der Innenseite an die Außenseite der Zellmembran. Phagozytose-fähige Zellen wie Makrophagen erkennen dieses Signal und entfernen die Erythrozyten vorzeitig aus dem Blut, ohne dass es zu einer Hämolyse kommt [1]. Eryptotische Erythrozyten können zudem an der Gefäßwand haften und so die Durchblutung kleiner Gefäße stören [1, 2].

Viele Menschen mit chronischer Nierenkrankheit (CKD) oder Diabetes mellitus leiden an einer Anämie. Die Behandlung setzt bisher vor allem bei der Bildung neuer Erythrozyten an: mit Eisen, Erythropoetin (EPO) oder seit einigen Jahren mit HIF-Stabilisatoren. Unsere Arbeiten zeigen, dass auch der vorzeitige Abbau der Erythrozyten durch verstärkte Eryptose wesentlich zur Anämie beiträgt [3]. Im Mausmodell bleibt die Anämie sogar bestehen, obwohl mehr EPO gebildet wird und die Retikulozytenzahl ansteigt [4]. Der verstärkte Erythrozyten-Abbau wird in der Therapie bisher nicht berücksichtigt. Hier setzt unsere Forschung an.

Wie entsteht Eryptose?

Die Eryptose wird durch Zellstress ausgelöst. Dazu gehören oxidativer Stress, Energiemangel und eine erhöhte Osmolarität des Blutplasmas [5]. Bei chronischer Nierenkrankheit kommen Urämietoxine hinzu, zum Beispiel Indoxylsulfat, Methylglyoxal, Acrolein oder Phosphat [2]. Bei Diabetes spielen der erhöhte Blutzucker, Dicarbonylstress und ein veränderter Stoffwechsel der Erythrozyten eine Rolle [6].

Der zentrale Schritt ist ein Einstrom von Kalzium in die Zelle. Kalzium öffnet Kaliumkanäle. Die Zelle verliert Kalium, Chlorid und Wasser und schrumpft. Gleichzeitig verlagert sich Phosphatidylserin an die Zelloberfläche. Botenstoffe wie Ceramid und verschiedene Kinasen verstärken diesen Vorgang [1, 5].

Bisherige Ergebnisse

Dialyse: Bei Patientinnen und Patienten an der Hämodialyse und an der Peritonealdialyse fanden wir mehr eryptotische Erythrozyten als bei Gesunden. Gleichzeitig waren reaktive Sauerstoffspezies und Ceramid in den Zellen erhöht [7].

Mausmodelle: In zwei Modellen einer Nierenkrankheit mit Eiweißausscheidung im Urin entstand eine Anämie, obwohl EPO und Blutbildung gesteigert waren. Die Erythrozyten waren weniger verformbar, zeigten mehr Eryptose und wurden früher aus dem Blut entfernt. Außerdem war ihr Stoffwechsel verändert [4].

Nierenkrankheit ohne Dialyse: Bei 122 Patientinnen und Patienten in allen Stadien der CKD war die Eryptose etwa 1,4-fach höher als bei 133 gesunden Blutspendern. Je niedriger die Nierenfunktion (eGFR), desto höher war die Eryptose. Die eGFR war der einzige unabhängige Einflussfaktor [8].

Typ-2-Diabetes: Auch bei Typ-2-Diabetes sind zelluläre Marker der Eryptose verändert [9]. In einer Übersichtsarbeit haben wir zusammengefasst, wie die diabetische Stoffwechsellage Erythrozyten schädigt und wie dies mit Schäden an kleinen Gefäßen zusammenhängen kann [6].

Methoden

Unsere zentrale Methode ist die Durchflusszytometrie (FACS). Damit messen wir in frischen Blutproben an einzelnen Zellen mehrere Merkmale der Eryptose:

Bindung von Annexin V als Nachweis von Phosphatidylserin auf der Zelloberfläche
Vorwärtsstreulicht als Maß für die Zellgröße
Fluo-3 für die Kalziumkonzentration in der Zelle
DCFDA für reaktive Sauerstoffspezies
Antikörper gegen Ceramid

Ergänzend untersuchen wir die Verformbarkeit der Erythrozyten (Ektazytometrie), ihre Lebensdauer im Blut (Markierung mit dem Farbstoff CFSE) und ihren Stoffwechsel (Metabolomik). Die Laborbefunde verknüpfen wir mit klinischen Daten wie Nierenfunktion, Hämoglobin, Eisenstatus und EPO-Dosis.

Geplante Forschung im Rahmen des DFG-Antrags mit der Projektnummer: 521775394

Im Rahmen des DFG-Antrags mit der Projektnummer 521775394 (link: https://gepris.dfg.de/project/521775394) wollen wir klären, welche Faktoren bei chronischer Nierenkrankheit die Eryptose antreiben. Außerdem wollen wir prüfen, ob sich die Eryptose gezielt behandeln lässt. Dazu nutzen wir die beiden etablierten Mausmodelle und Blutproben von Patientinnen und Patienten. Nach unserem Kenntnisstand wurde die Eryptose im Tiermodell bisher noch nicht gezielt therapeutisch gehemmt.

Urämietoxine aus dem Darm: Bei Nierenkrankheit verändert sich die Darmflora. Aus Eiweißbausteinen der Nahrung entstehen dann Urämietoxine wie Indoxylsulfat und p-Kresylsulfat. Wir prüfen, ob eine eiweißarme Ernährung oder eine Hemmung der Aufnahme von Indoxylsulfat in die Erythrozyten die Eryptose senkt.

Phosphat und Parathormon: Im Endstadium der Nierenkrankheit haben über 95 Prozent der Betroffenen einen sekundären Hyperparathyreoidismus. Hohe Phosphatwerte lösen Eryptose aus. Wir untersuchen, ob eine phosphatarme Ernährung oder der Phosphatbinder Sevelamer die Eryptose verringert.

Sauerstoffmangel und HIF-Signalweg: Sauerstoffmangel kann Erythrozyten vor Eryptose schützen. In der kranken Niere herrscht Sauerstoffmangel, trotzdem ist die Eryptose erhöht. Wir untersuchen, ob der HIF-Signalweg oder der Rapoport-Luebering-Zyklus der Erythrozyten gestört ist. Dieser Zyklus bildet 2,3-Bisphosphoglycerat und steuert so die Sauerstoffabgabe. Außerdem prüfen wir, ob der HIF-Stabilisator Roxadustat die Eryptose senkt.

Nierentransplantation: Etwa jede dritte Person ist auch vier Jahre nach einer Nierentransplantation noch anämisch. Wir messen die Eryptose vor und nach der Transplantation. Außerdem vergleichen wir verschiedene Immunsuppressiva, zum Beispiel Calcineurin-Inhibitoren und mTOR-Inhibitoren.

Unser Ziel ist ein neuer Therapieansatz. Die renale Anämie soll nicht nur über mehr Blutbildung behandelt werden, sondern auch über einen geringeren Abbau der Erythrozyten.

Kooperationen

Prof. Syed M. Qadri, Faculty of Health Sciences, Ontario Tech University, Oshawa, Kanada
Prof. Angelo D’Alessandro, University of Colorado Anschutz Medical Campus, Aurora, USA (Metabolomik)
Dr. Marijke Grau, Deutsche Sporthochschule Köln (Verformbarkeit von Erythrozyten)
Prof. Tamam Bakchoul, Zentrum für Klinische Transfusionsmedizin, Universitätsklinikum Tübingen
Prof. Andreas Peter, Institut für Klinische Chemie und Pathobiochemie, Universitätsklinikum Tübingen

Förderung und Auszeichnungen

Die bisherigen Arbeiten wurden unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, BI 2149/2-1) und durch einen Innovationsfonds der Universität Tübingen im Rahmen der Exzellenzinitiative gefördert.

Für dieses Forschungsthema wurde außerdem der Bernd-Tersteegen-Preis 2022 des Berufsverbands der Nephrologinnen und Nephrologen in Deutschland (DN) e. V. eingeworben.

Preisverleihung — Verleihung des Bernd-Tersteegen-Preises 2022. Von links: Dr. Michael Daschner, Dr. rer. nat. Rosi Bissinger.Quelle: Berufsverband der Nephrologinnen und Nephrologen in Deutschland (DN) e. V., www.dnev.de

Ausgewählte Publikationen

Die Nummern in eckigen Klammern im Text verweisen auf diese Liste.

Qadri SM, Bissinger R, Solh Z, Oldenborg PA. Eryptosis in health and disease: a paradigm shift towards understanding the (patho)physiological implications of programmed cell death of erythrocytes. Blood Rev. 2017;31(6):349-361. doi: 10.1016/j.blre.2017.06.001
Lang F, Bissinger R, Abed M, Artunc F. Eryptosis - the neglected cause of anemia in end stage renal disease. Kidney Blood Press Res. 2017;42(4):749-760. doi: 10.1159/000484215
Bissinger R, Qadri SM, Artunc F. Eryptosis: a driver of anemia in chronic kidney disease. Curr Opin Nephrol Hypertens. 2024;33(2):220-225. doi: 10.1097/MNH.0000000000000957
Bissinger R, Nemkov T, D'Alessandro A, Grau M, Dietz T, Bohnert BN, Essigke D, Wörn M, Schaefer L, Xiao M, Beirne JM, Kalo MZ, Schork A, Bakchoul T, Omage K, Kong L, Gonzalez-Menendez I,
Quintanilla-Martinez L, Fehrenbacher B, Schaller M, Dhariwal A, Birkenfeld AL, Grahammer F, Qadri SM, Artunc F. Proteinuric chronic kidney disease is associated with altered red blood cell lifespan, deformability and metabolism. Kidney Int. 2021;100(6):1227-1239. doi: 10.1016/j.kint.2021.08.024
Bissinger R, Bhuyan AAM, Qadri SM, Lang F. Oxidative stress, eryptosis and anemia: a pivotal mechanistic nexus in systemic diseases. FEBS J. 2019;286(5):826-854. doi: 10.1111/febs.14606
Williams A, Bissinger R, Shamaa H, Patel S, Bourne L, Artunc F, Qadri SM. Pathophysiology of red blood cell dysfunction in diabetes and its complications. Pathophysiology. 2023;30(3):327-345. doi: 10.3390/pathophysiology30030026
Bissinger R, Artunc F, Qadri SM, Lang F. Reduced erythrocyte survival in uremic patients under hemodialysis or peritoneal dialysis. Kidney Blood Press Res. 2016;41(6):966-977. doi: 10.1159/000452600
Bissinger R, Schaefer L, Bohnert BN, Schork A, Hoerber S, Peter A, Qadri SM, Birkenfeld AL, Heyne N, Bakchoul T, Wieder T, Artunc F. GFR is a key determinant of red blood cell survival in anemia associated with progressive CKD. Kidney Int Rep. 2025;10(3):730-742. doi: 10.1016/j.ekir.2024.12.023
Kempe-Teufel DS, Bissinger R, Qadri SM, Wagner R, Peter A, Lang F. Cellular markers of eryptosis are altered in type 2 diabetes. Clin Chem Lab Med. 2018;56(7):e177-e180. doi: 10.1515/cclm-2017-1058