Dokument: The Effects of Diroximel Fumarate on Ferroptotic Glial Cell Death and Demyelination

Titel:	The Effects of Diroximel Fumarate on Ferroptotic Glial Cell Death and Demyelination
Weiterer Titel:	Die Effekte von Diroximelfumarat auf ferroptotischen Zelltod von Gliazellen und Demyelinisierung
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69647
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250520-111646-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Fischer, Katinka [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,25 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 16.05.2025 / geändert 16.05.2025
Beitragende:	Prof. Dr. med. Aktas, Orhan [Gutachter] Prof. Dr. rer. nat. Stork, Björn [Gutachter]
Stichwörter:	Multiple Sclerosis, Ferroptosis, Diroximel fumarate, Organotypic slice culture, OLN93-cells,PBMCs
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Background: Ferroptosis is an iron-dependent, non-apoptotic cell death mechanism characterized by lipid peroxidation and has been implicated in the pathogenesis of multiple sclerosis (MS). A criti-cal enzyme in preventing ferroptosis, glutathione peroxidase 4 (GPx4), is found at reduced levels in the brain tissue of MS patients. Fumarates such as diroximel fumarate (DRF) and dimethyl fumarate (DMF), which are approved for the treatment of relapsing-remitting MS (RRMS), exert their effects through activation of the nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) pathway. This pathway mitigates oxidative stress by regulating the expression of antioxidant and anti-inflammatory proteins. However, the role of Nrf2 activation in protecting against neuroinflamma-tion and axonal demyelination, particularly in the context of ferroptosis, remains inadequately un-derstood. Aim: The aim of this study is to evaluate the effect of fumarates on oligodendrocytes and myelin structure in relation to ferroptosis-induced damage. Methods: The effects of DRF and its primary metabolite monomethyl fumarate (MMF) on GPx4 gene and protein expression, cell survival, lipid peroxidation, and myelin integrity were investigat-ed in OLN-93 oligodendrocytes and organotypic cerebellar slice cultures subjected to ferroptosis induction by Erastin or iron (ammonium iron(II) sulphate, (NH₄)₂Fe(SO₄)₂). Additionally, GPx4 gene expression was assessed in mouse brain tissue (wild-type C57BL/6J) and peripheral blood mono-nuclear cells (PBMCs) from five patients with RRMS before and after one year of DMF therapy. These results were compared with those from five patients treated with ocrelizumab (OCR) over the same period and four healthy controls. Results: OLN-93 cells exhibited sensitivity to the ferroptosis inducers Erastin and iron. Pretreat-ment with the fumarates MMF and DRF conferred protection against Erastin-induced cell death, but not against iron-induced cell death. The ferroptosis inhibitor liproxstatin-1 (LIP-1) effectively reduced lipid peroxidation, while a 24-hour pretreatment with fumarates did not offer the same protection. In organotypic cerebellar slice cultures, Erastin predominantly caused myelin damage, whereas iron induced both myelin and axonal damage. DRF and MMF mitigated myelin damage, similar to the effects observed with LIP-1 and the iron chelator salicylaldehyde isonicotinoyl hydra-zone (SIH). In mouse brains, DMF treatment elevated GPx4 mRNA and protein levels in the white matter but not in the gray matter. In RRMS patients with an average Expanded Disability Status Scale (EDSS) score of 2 (IQR: [1,2]), GPx4 mRNA levels in PBMCs were unchanged compared to healthy controls. One year of DMF treatment resulted in a moderate increase in GPx4 gene ex-pression in only two of the five patients (median 1.01, IQR: [0.80, 2.52]). In contrast, OCR treatment led to an average increase in GPx4 mRNA levels of 570% (IQR: [537%, 713%]) at 12 months. Discussion and conclusion: The results suggest a detrimental role of ferroptosis in glial cells, as evi-denced by the indirect induction of ferroptosis in OLN-93 cells following Erastin exposure and point the potential of fumarates to protect oligodendrocytes from ferroptotic cell death. The observed increase in expression of the anti-ferroptotic enzyme GPx4 in both OLN-93 cells and mouse brain parenchyma after fumarate treatment points to a possible underlying mechanism. However, the exact mechanism remains unclear, as a reduction in lipid peroxidation could not be demonstrated. More frequent fumarate administration (e.g., twice daily) may be necessary to reduce lipid peroxi-dation. The moderate elevation of GPx4 levels in PBMCs from young RRMS patients does not pro-vide definitive conclusions regarding oligodendrocytes but may suggest that fumarates increase GPx4 levels in CNS-infiltrating monocytes and macrophages, potentially protecting resident CNS cells from excess iron. Additionally, the marked increase in GPx4 levels in ocrelizumab-treated pa-tients may suggest a role for ocrelizumab in inhibiting ferroptosis, a potential, yet unexplored, ad-ditional aspect of its mechanism of action. Hintergrund: Ferroptose, ein eisenabhängiger nicht-apoptotischer Mechanismus, der über Lip-idperoxidation Zelltod induziert, wird mit dem Pathomechanismus der Multiplen Sklerose (MS) in Verbindung gebracht. Glutathionperoxidase 4 (GPx4) ist ein Schlüsselenzym in der Inhibierung der Ferroptose und wird niedriger exprimiert im Hirngewebe von MS-Patienten. Die zur Behandlung der schubförmig remittierenden MS (RRMS) zugelassenen Fumarate Diroximelfumarat (DRF) und Dimethylfumarat (DMF) wirken auf den Nuclear factor erythroid 2–related factor 2 (Nrf2) -Signalweg, der vor oxidativen Schäden schützt, indem er die Expression von antioxidativen und entzündungshemmenden Proteinen reguliert. Die Relevanz der Nrf2-Aktivierung beim Schutz vor Neuroinflammation und axonaler Demyelinisierung im Kontext von Ferroptose ist jedoch noch unklar. Ziel: Ziel dieser Studie ist es die Wirkung von Fumaraten auf Oligodendrozyten und die Myelin-struktur im Hinblick auf Ferroptose-induzierte Schäden zu bewerten. Methoden: Die Auswirkungen von DRF und Monomethylfumarat (MMF, als Hauptmetabolit von DMF und DRF) auf GPx4-Gen- und Proteinexpression, Zellübereben, Lipidperoxidationsschutz und Myelinschädigung wurden in OLN-93-Oligodendrozyten und organotypischen Kleinhirnschnittkul-turen unter den Ferroptose-Induktoren Erastin oder Eisen (Ammoniumeisen(II)-sulfat, (NH₄)₂Fe(SO₄)₂). untersucht. Des Weiteren wurde die GPx4-Genexpression in Maushirngewebe (Wildtyp C57BL/6J) sowie in peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) von fünf RRMS-Patienten vor und nach einer einjährigen Behandlung mit Dimethylfumarat analysiert. Diese Er-gebnisse wurden mit denen von fünf RRMS-Patienten, die über den gleichen Zeitraum eine Be-handlung mit Ocrelizumab (OCR) erhielten, sowie mit den Ergebnissen von vier gesunden Proban-den verglichen. Ergebnisse: OLN-93-Zellen sind sensitiv gegenüber den Ferroptose-Induktoren Erastin und Eisen, können durch Vorbehandlung mit den Fumaraten MMF und DRF jedoch gegen Erastin-Exposition geschützt werden. Gegen Zelltod durch Eisenbehandlung schützen Fumarate jedoch nicht. Der Ferroptoseinhibitor Liproxstatin-1 (LIP-1) verminderte Lipidperoxidation, eine 24-stündige Fuma-rat-Vorbehandlung dagegen nicht. In den Hirnschnittkulturen schädigte Erastin hauptsächlich Mye-lin, während Eisen zusätzlich Axone schädigte. DRF und MMF milderten Myelinschäden ab, wie LIP-1 und der Eisenchelator Salicylaldehyd-Isonicotinoyl-Hydrazone (SIH). DMF steigerte sowohl GPx4-mRNA-, als auch -Protein-Menge in der weißen, jedoch nicht in der grauen Substanz von Mausge-hirnen. Bei RRMS-Patienten mit einem durchschnittlichen EDSS (Expanded Disability Status Scale) von 2 (IQR: [1,2]) waren die GPx4-mRNA-Spiegel in PBMCs im Vergleich zu gesunden Probanden nicht verändert. Eine einjährige DMF-Behandlung führte lediglich bei zwei Patienten zu einer mo-deraten Erhöhung der GPx4-Genexpression (Median 1,01, IQR: [0,80, 2,52]). Im Vergleich dazu führte die OCR-Behandlung nach 12 Monaten zu einem durchschnittlichen Anstieg der GPx4-mRNA-Spiegel um 570% (IQR: [537%, 713%]). Diskussion und Schlussfolgerung: Die Ergebnisse deuten auf eine schädliche Rolle der Ferroptose in Gliazellen hin, wie die indirekte Induktion von Ferroptose in OLN-93-Zellen nach Erastin-Exposition zeigt und weisen auf das Potenzial von Fumaraten hin, Oligodendrozyten vor ferroptoti-schem Zelltod zu schützen. Die beobachtete Zunahme der Expression des anti-ferroptotischen Enzyms GPx4 sowohl in OLN-93-Zellen als auch im Gehirnparenchym von Mäusen nach Fumarat-Behandlung deutet auf den möglichen zugrunde liegenden Mechanismus hin. Der genaue Mecha-nismus bleibt jedoch unklar, da eine Verringerung der Lipidperoxidation nicht nachgewiesen wer-den konnte. Eine häufigere Verabreichung von Fumarat (z. B. zweimal täglich) könnte möglicher-weise erforderlich sein, um die Lipidperoxidation zu verringern. Der moderate Anstieg der GPx4-Konzentrationen in PBMCs von jungen RRMS-Patienten lässt keine endgültigen Schlussfolgerun-gen in Bezug auf Oligodendrozyten zu, könnte aber auf einen Schutz vor überschüssigem Eisen durch Fumarate in ZNS-infiltrierenden Monozyten und Makrophagen hindeuten. Der deutliche GPx4-Anstieg bei Ocrelizumab-Behandlung lässt eine mögliche Hemmung der Ferroptose vermu-ten, was einen potenziellen, noch unerforschten Aspekt seines Wirkmechanismus darstellen könnte.
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Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:	20.05.2025
Dateien geändert am:	20.05.2025
Promotionsantrag am:	04.03.2025
Datum der Promotion:	15.05.2025