Orale Applikation von FGF21 für eine gezielte Wirkung in der Leber

Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor 21 (FGF21) ist ein metabolisch wirkendes Peptidhormon, das Adipositas-assoziierte metabolische Störungen in verschiedenen Tiermodellen reduzieren kann. Erste klinische Studien mit FGF21-Analoga (Applikation durch Injektion) bestätigten die Reduktion von Körpergewicht, Blutlipiden und Insulin beim Menschen und deuten auf die Leber als wichtiges Zielorgan hin, insbesondere bei Patienten mit Fettleber. Die Leber ist auch der Hauptproduzent von FGF21, aber direkte hepatische Effekte und Mechanismen sind bisher unzureichend aufgeklärt. Die Biologie von FGF21 ist sehr komplex und erst unvollständig aufgeklärt, auch gibt es noch Kontroversen bezüglich der Zielorgane und der intrazellulären Mechanismen von FGF21. Zudem können erhöhte Plasmaspiegel negative Nebeneffekte z. B. auf die Knochendichte haben. Wir gehen von der Hypothese aus, dass durch ein orales Applikationssystem positive metabolische Effekte durch eine gezielte Wirkung auf die Leber erreicht werden können unter Vermeidung von Nebenwirkungen. 

Die Ziele dieses Projektes sind (i) die Aufklärung der leberspezifischen metabolischen Wirkung von FGF21 und (ii) die Etablierung einer oralen Verabreichung mittels essbarer Pflanzen, die FGF21 exprimieren. Mithilfe einer Transkriptom und Metabolomanalyse von Leber und primären Hepatozyten von FGF21-Knockout-Mäusen nach FGF21-Behandlung werden neue molekulare Mechanismen der FGF21-Wirkung in Hepatocyten identifiziert und in vitro und in vivo bestätigt. Diese werden dann auch genutzt um gezielt die Wirkung von oral verabreichtem FGF21 zu untersuchen.

Für die orale Verabreichung wird ein Pflanzenexpressionssystem entwickelt. Essbare Pflanzen sind dafür sehr gut geeignet, da die Pflanzenzellen intrazelluläre Proteine vor der Degradation im Magen schützen können, die dann erst im Dünndarm freigesetzt werden (bezeichnet als in planta Bioverkapselung). Dies führt zu einer hohen Konzentration von FGF21 in der Portalvene und Transport in die Leber aber niedriger peripherer Exposition durch die schnelle Degradierung von FGF21 im Serum. Für eine verbesserte Protektion durch die Pflanzenenzelle wird FGF21 mit einer öl- bindenden Domäne versehen. Für die Transcytose vom Darm in die Blutbahn wird Transferrin als weiterer Fusionspartner verwendet, der im Serum durch endogene Protease abgespalten wird. Zunächst wird die Effektivität von verschiedenen, transient exprimierten, aufgereinigten FGF21-Varianten in vitro mittels eines simulierten Darmsystems und der Ussing-Kammer untersucht. Die geeignetsten Varianten werden zur stabilen Transformation von essbaren ölreichen Tabaksorten verwendet. Die Bioverfügbarkeit und biologische Wirkung insbesondere auf die Leber wird anschließend in Fütterungsversuchen an adipösen Mäusen und FGF21-Knockout-Mäusen untersucht.

Das Fraunhofer IME setzte seine Expertise und Technologien im Plant Molecular Farming ein, um FGF21 in Pflanzen herzustellen und für die orale Applikation bereitzustellen.