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Veränderungen im Selen- und Kupfermetabolismus ausgelöst durch Infektionen und Medikamente
Hackler, Julian
Die essenziellen Spurenelemente Selen (Se) und Kupfer (Cu) sind beteiligt an einer Vielzahl von Redox-Reaktionen im menschlichen Körper und tragen dadurch zur Aufrechterhaltung der Gesundheit bei. Eine Einschätzung des Spurenelement-Status kann durch die Serum-Proteinbiomarker Selenoprotein P (SELENOP) und Ceruloplasmin (CP) erfolgen, welche beide hauptsächlich in der Leber gebildet werden. Bisweilen gibt es aber wenig gesichertes Wissen über den Einfluss von Medikamenten auf den Spurenelement-Status und Spurenelement-Metabolismus. Dies ist besonders besorgniserregend vor dem Hintergrund der immer schneller wachsenden Anzahl von Medikamenten und der steigenden Inzidenz von Polypharmazie. Aus diesem Grund sollte die Hypothese geprüft werden, ob häufig verwendete und frei verfügbare Wirkstoffe die hepatische SELENOP Expression im in vitro Modell beeinflussen (Manuskript 1).
Dazu wurden n = 1861 Wirkstoffe mit einer finalen Konzentration von 10 µmol/L für 48 h zusammen mit HepG2 Zellen inkubiert, und das konditionierte Medium wurde auf den SELENOP-Gehalt vermessen. Von 236 identifizierten Modulatoren zeigte das Polyphenol Resveratrol eine Konzentrations-abhängigen Reduktion von SELENOP in einem Konzentrationsbereich von 0,8 bis 50 µmol/L. Die RNA Sequenzierung von Resveratrol-behandelten Zellen wies auf eine potenzielle Beeinträchtigung des Vesikeltransports hin, was zu einer verminderten SELENOP-Sekretion führen könnte. Dieser Effekt könnte den Hepatozyten einen zusätzlichen oxidativen Schutz bieten, welcher aber zu Lasten des systemischen Se-Transports erfolgen würde. Weitere physiologische Auswirkungen, die sich aus dieser Wechselwirkung ergeben, müssen in intakten Organismen oder durch klinische Studien untersucht werden.
Im Falle von Infektionserkrankungen besteht seit einigen Jahrzehnten die Hypothese, dass CP als Akute-Phase-Reaktant und SELENOP als invers regulierter Akute-Phase-Reaktant reagieren. Ungeachtet dessen ist die entsprechende Datenlage gering und es fehlen experimentelle Studien zur vergleichenden Beurteilung des Se- und Cu-Status. Aus diesem Grund sollte in dieser Arbeit eine parallele Analyse des Se- und Cu-Status in den zwei Infektionskrankheiten der neonatalen Sepsis (Manuskript 2) und der COVID-19 Erkrankung (Manuskript 3) erfolgen. Eine zuverlässige Diagnose der früh einsetzenden Sepsis (EOS) wird durch die unterschiedlichen klinischen Erscheinungsbilder der Kinder erschwert. Es sollte die Hypothese geprüft werden, inwieweit Veränderungen des Se- oder Cu-Status aufschlussreich für EOS sein könnten. Mittels eines neuen CP-spezifischen sandwich-ELISAs konnte eine Fall-Kontroll-Studie zu EOS (n = 19 Kontrollen, n = 18 erkrankte Neugeborene) vermessen werden. Plasma-CP korrelierte stark positiv mit den Cu-Konzentrationen (Pearson R = 0,8355; p < 0,0001). Drei der infizierten Neugeborenen wiesen hohe Verhältnisse von Cu/Se und CP/SELENOP auf. Diese lagen 3,8- bis 6,9-fach höher als die mittleren Kontrollwerte. Sowohl das Cu/Se- als auch das CP/SELENOP-Verhältnis korrelierten geringgradig mit dem frühen Infektionsmarker IL-6, aber stark und positiv mit dem Akute-Phase-Protein CRP (Cu/Se-CRP: R = 0,583; p = 0,011; CP/SELENOP-CRP: R = 0,571; p = 0,013). Die ROC-Kurvenanalysen zeigten, dass eine Kombination von Biomarkern für den Se- und Cu-Status die Früherkennung von EOS nicht wesentlich verbesserte. Das Verhältnis von zirkulierendem CP/SELENOP stellt einen vielversprechenden neuen zusammengesetzten Biomarker für die Erkennung von EOS dar, zumindest bei der Untergruppe von schwer erkrankten Kindern.
Angesichts der Tatsache, dass COVID-19 eine systemische Entzündung hervorruft, sollte die Hypothese geprüft werden, ob die Biomarker für den Cu- und Se-Status in inverse Richtungen reguliert werden. Die beiden Cu-Biomarker korrelierten im Serum von Patienten mit COVID-19 positiv (R = 0,42; p < 0,001). Überlebende Patienten wiesen im Vergleich zu Nicht-Überlebenden höhere mittlere Serum-Cu- und -CP-Konzentrationen auf (Mittelwert ± SEM Cu: 1475,9 ± 22,7 vs. 1317,9 ± 43,9 µg/L; p < 0,001, CP: 547,2 ± 19,5 vs. 438,8 ± 32,9 mg/L; p = 0,086). Entgegen den Erwartungen wiesen die Cu- und Se-Gesamtkonzentrationen im Serum der untersuchten Patientenproben eine positive lineare Korrelation auf (R = 0,23; p = 0,003). Die Serum-CP- und -SELENOP-Konzentrationen waren nicht miteinander korreliert. Dies zeigte, dass die Veränderungen der Serum-Biomarker für den Cu- und Se-Status bei COVID-19 nicht mit einer einfachen Akute-Phase-Reaktion vereinbar sind. COVID-19-Überlebende zeigten ansteigende Se- und SELENOP-Konzentrationen während des untersuchten Zeitraums. Dem gegenüber blieben die Cu- und CP-Konzentrationen unverändert und stabil. Eine adjuvante Supplementierung bei Patienten mit diagnostisch nachgewiesenen Cu- oder Se-Defiziten könnte den Krankheitsverlauf positiv beeinflussen, da beide bei Überlebenden ansteigen bzw. im Mittel höher liegen im Vergleich zu nicht-Überlebenden und für die Immunantwort und das antioxidative Abwehrsystem von entscheidender Bedeutung sind.
Zusammengenommen unterstreicht diese Arbeit die pathophysiologische Bedeutung des Se- und Cu-Status als diagnostische Biomarker und potenzielle adjuvante Therapeutika.
The essential trace elements (TE) selenium (Se) and copper (Cu) are involved in a variety of redox reactions in the human body and thus contribute to the maintenance of health. The TE status can be assessed by the serum protein biomarkers selenoprotein P (SELNOP) and ceruloplasmin (CP), both of which are mainly expressed in the liver. However, there is little knowledge about the influence of drugs on TE status and TE metabolism. This is of particular concern considering the accelerating growth in the number of drugs and the increasing incidence of polypharmacy. Therefore, we aimed to test the hypothesis whether commonly used and freely available drugs affect hepatic SELENOP expression in an in vitro model (Manuscript 1).
For this purpose, n = 1861 drugs were incubated at a final concentration of 10 µmol/L for 48 h together with HepG2 cells, and the conditioned medium was measured for SELENOP content. Of 236 identified modulators, the polyphenol resveratrol showed a concentration-dependent reduction of SELENOP in a concentration range of 0.8 to 50 µmol/L. RNA sequencing of resveratrol-treated cells indicated a potential impairment of vesicle transport, which could lead to decreased SELENOP secretion. This effect could provide additional oxidative protection to hepatocytes, which would, however, occur at the expense of systemic Se transport. Further physiological effects resulting from this interaction need to be investigated in intact organisms or in clinical studies.
In the case of infectious diseases, it has been hypothesized for several decades that CP reacts as an acute-phase reactant and SELENOP as an inversely regulated acute-phase reactant. Regardless, distinct data is missing and experimental studies for comparative assessment of Se and Cu status are lacking. For this reason, this work aimed to perform a parallel analysis of Se and Cu status in the two infectious diseases of neonatal sepsis (Manuscript 2) and COVID-19 disease (Manuscript 3). Reliable diagnosis of early-onset sepsis (EOS) is complicated by different clinical presentations in children. The hypothesis should be tested to what extent changes in Se or Cu status could predict EOS. Using a new CP-specific sandwich ELISA, a case-control study of EOS (n = 19 controls, n = 18 diseased newborns) was measured. Plasma CP correlated strongly positively with Cu concentrations (Pearson R = 0.8355; p < 0.0001). Three of the infected neonates had high ratios of Cu/Se and CP/SELENOP. These were 3.8- to 6.9-fold higher than the mean control values. Both Cu/Se and CP/SELENOP ratios correlated weakly with the early infection marker IL-6 but strongly and positively with the acute phase protein CRP (Cu/Se-CRP: R = 0.583; p = 0.011; CP/SELENOP-CRP: R = 0.571; p = 0.013). ROC curve analyses showed that a combination of biomarkers for Se and Cu status did not significantly improve early detection of EOS. The ratio of circulating CP/SELENOP represents a promising new composite biomarker for the detection of EOS, at least in the subset of severely ill children.
Given that COVID-19 induces systemic inflammation, we aimed to test the hypothesis whether the biomarkers for Cu and Se status are inversely regulated. The two Cu biomarkers correlated positively in the serum of patients with COVID-19 (R = 0.42; p < 0.001). Surviving patients had higher mean serum Cu and CP concentrations compared with nonsurvivors (mean ± SEM Cu: 1475.9 ± 22.7 vs. 1317.9 ± 43.9 µg/L; p < 0.001, CP: 547.2 ± 19.5 vs. 438.8 ± 32.9 mg/L; p = 0.086). Contrary to expectations, total serum Cu and Se concentrations in the studied patient samples showed a weak positive linear correlation (R = 0.23; p = 0.003). Serum CP and SELENOP concentrations were not correlated with each other. This indicated that the changes in serum biomarkers for Cu and Se status in COVID-19 were not consistent with a simple acute phase response. COVID-19 survivors showed increasing Se and SELENOP concentrations during the period studied. In contrast, Cu and CP concentrations remained unchanged and stable. Adjuvant supplementation in patients with diagnostically proven Cu or Se deficiencies could positively influence disease progression, as both increase or are higher on average in survivors compared to nonsurvivors and are crucial for the immune response and antioxidant defense system.
Taken together, this work highlights the pathophysiological importance of Se and Cu status as diagnostic biomarkers and potential adjuvant therapeutics
