Core Unit Metabolomics

Core Unit Metabolomics

Metabolomics ist neben Genomics, Transkriptomics und Proteomics eine der „omics“ Disziplinen, welche zur Beschreibung von biologischen Systemen genutzt werden. Die noch relativ junge Forschungsrichtung profitiert von den technischen Entwicklung auf dem Gebiet der Massenspektrometrie, vor allem im Bezug auf hochauflösende Massenspektrometer, und erlebte einen starken Aufschwung seit 2005.

Im Gegensatz zu den anderen drei Forschungsrichtungen, zielt Metabolomics auf die analytische Erfassung der Gesamtheit aller niedermolekularen Stoffwechselverbindungen in einem biologischen System. Die untersuchte biologische Matrix kann hierbei je nach Fragestellung stark variieren (Urin, Plasma, Zelllysate, Gewebe, etc.).

Ein Ziel der Metabolomicsforschung ist es den metabolischen Status eines Systems festzustellen und Veränderungen auf diesem Level mit physiologischen oder pathologischen Prozessen in Verbindung zu bringen. Dies wird oftmals durch eine vergleichende Analyse (z.B. gesund vs krank) erreicht und ist besonders für Krankheitsforschung interessant. Das bessere Verständnis von Krankheiten und deren Manifestation auf niedermolekularem metabolomischem Level eröffnet hierbei neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Krankheitsmodellen und neuen Arzneimitteln.

Metabolomics kann in untargeted und targeted Metabolomics unterteilt werden. Während man bei untargeted eine Probe hinsichtlich aller erfassbaren Metaboliten analysiert und semi-quantitative Informationen erhält, werden im targeted Mode gezielt bestimmte endogene Substanzen analysiert und quantifiziert.

Für untargeted Metabolomics-Analysen steht dem Lehrstuhl über einen DFG-Antrag erworbenes QExactive Focus Massenspektrometer zur Verfügung. Die targeted Analysen werden an zwei weiteren DFG geförderten Massenspektrometern (API 4000 Triple-Quadrupol-MS und QTRAP 6500+) durchgeführt.

Bei Interesse an einer Kollaboration mit der Core Unit Metabolomics der Medizinischen Fakultät können Sie gerne eine email an klinpharm-analytik@fau.de schreiben. Infomaterialien bezüglich Anfragen für Analysen, Probenvorbereitung und Probenversand finden Sie hier:

In einem untargeted Metabolomics Workflow werden nicht gezielt einzelne Substanzen in einer Probe quantifiziert, sondern quantitative und qualitative Unterschiede in der Gesamtheit der Metaboliten zwischen zwei Gruppen identifiziert. Zu diesem Zweck werden Proben aus verschiedenen Gruppen (z.B. Plasmaproben von wild type und knock-out Mäusen) über einen großen Massenbereich gescannt und Unterschiede in den Metaboliten mithilfe einer Software (Compound Discoverer, Thermo Fisher) erfasst und statistisch bewertet. Je nach Fragestellung können diese Unterscheide Hinweise auf z.B. neue Biomarker liefern. Da zur Identifizierung eine hohe Massenauflösung vorteilhaft ist, werden unsere untargeted Metabolomics-Analysen an einem Orbitrap-MS (QExactive Focus), welche 2018 über einen DFG-Großgeräteantrag erworben wurde, durchgeführt.
Zur Zeit arbeitet die Massenspektrometrie-Einheit an verschiedenen Projekten in der Krankheitsforschung sowie an der Entdeckung neuer endogener Substrate oder Inhibitoren von Transportproteinen.

Bei „targeted metabolomics“ Untersuchungen werden niedermolekulare Substanzen in einer biologischen Matrix quantifiziert. Pro Analyse wird eine ausgewählte Anzahl an Stoffen erfasst, deren absolute Konzentration bestimmt wird. Die Konzentration dieser Stoffe lässt sich somit über verschiedene Studien hinweg vergleichen, so dass beispielsweise die Eignung von Biomarkern für bestimmte Erkrankungen validiert werden kann.
Dank hochsensitiver LC-MS/MS-Methodik können Substanzen bis in den nanomolaren Konzentrationsbereich sicher quantifiziert werden. Bei der Methodenentwicklung wird auf eine Anwendbarkeit für eine hohe Anzahl an Proben pro Studie, bei möglichst geringem, benötigtem Probenvolumen Wert gelegt. Eine Validierung der Messmethode erfolgt nach international üblichen Richtlinien.
Kürzlich entwickelte Methoden am Lehrstuhl für Klinische Pharmakologie und Klinische Toxikologie legen ihren Fokus auf die Analyse von Risikofaktoren für kardiovaskuläre Erkrankungen (z.B. Trimethylamin-N-Oxid) oder endogenen Substraten für Transportproteine (z.B. 1-Methylnicotinamid). Die untersuchten Matrices umfassen u.a. Plasma, Urin oder Lysate von Zellmodellen.

Surrer DB, Schüsser S, König J, Fromm MF, Gessner A. Transport of aromatic amino acids L-tryptophan, L-tyrosine, and L-phenylalanine by the organic anion transporting polypeptide (OATP) 3A1.

FEBS J, 2024, 291: 4732-4743

 

Gessner A, König J, Wenisch P, Heinrich MR, Stopfer P, Fromm MF, Müller F. New biomarkers for renal transporter-mediated drug-drug interactions: metabolomic effects of cimetidine, probenecid, verapamil, and rifampin in humans.

Clin Pharmacol Ther, 2024, epub

 

Kachler K, Andreev D, Thapa S, Royzman D, Gießl A, Karuppusamy S, Perez ML, Liu M, Hofmann J, Gessner A, Meng X, Rauber S, Steinkasserer A, Fromm M, Schett G, Bozec A. Acod1-mediated inhibition of aerobic glycolysis suppresses osteoclast differentiation and attenuates bone erosion in arthritis.

Ann Rheum Dis, 2024, 83: 1691-1706

 

Auger JP, Zimmermann M, Faas M, Stifel U, Chambers D, Krishnacoumar B, Taudte RV, Grund C, Erdmann G, Scholtysek C, Uderhardt S, Ben Brahim O, Pascual Maté M, Stoll C, Böttcher M, Palumbo-Zerr K, Mangan MSJ, Dzamukova M, Kieler M, Hofmann M, Blüml S, Schabbauer G, Mougiakakos D, Sonnewald U, Hartmann F, Simon D, Kleyer A, Grüneboom A, Finotto S, Latz E, Hofmann J, Schett G, Tuckermann J, Krönke G. Metabolic rewiring promotes anti-inflammatory effects of glucocorticoids.

Nature, 2024, 629: 184-192

 

Cao S, Li Y, Song R, Meng X, Fuchs M, Liang C, Kachler K, Meng X, Wen J, Schlötzer-Schrehardt U, Taudte V, Gessner A, Kunz M, Schleicher U, Zaiss MM, Kastbom A, Chen X, Schett G, Bozec A. L-arginine metabolism inhibits arthritis and inflammatory bone loss.

Ann Rheum Dis, 2024, 83: 72-87

 

Schulz-Kuhnt A, Rühle K, Javidmehr A, Döbrönti M, Biwank J, Knittel S, Neidlinger P, Leupold J, Liu L-J, Dedden M, Taudte RV, Gessner A, Fromm MF, Mielenz D, Kreiss L, Waldner MJ, Schürmann S, Friedrich O, Dietel B, López-Posadas R, Plattner C, The TRR241 IBDome Consortium, Zundler S, Becker C, Atreya R, Neurath MF#, Atreya I#. ATP citrate lyase (ACLY)-dependent immunometabolism in mucosal T cells drives experimental colitis in vivo.

Gut, 2024, 73, 601-612 (#authors contributed equally)

 

Gessner A, Müller F, Wenisch P, Heinrich MR, König J, Stopfer P, Fromm MF. A metabolomic analysis of sensitivity and specificity of 23 previously proposed biomarkers for renal transporter-mediated drug-drug interactions.

Clin Pharmacol Ther, 2023, 114: 1058-72

 

Sonomoto K, Song R, Eriksson D, Hahn AM, Meng X, Lyu P, Cao S, Liu N, Taudte RV, Wirtz S, Tanaka Y, Winkler TH, Schett G, Soulat D, Bozec A. High-fat-diet-associated intestinal microbiota exacerbates psoriasis-like inflammation by enhancing systemic γδ T cell IL-17 production.

Cell Rep, 2022, 42: 112713

 

Müller F, Hohl K, Keller S, Schmidt-Gerets S, Deutsch B, Schuler-Metz A, Fromm MF, Stopfer P, Gessner A. N1-methylnicotinamide as biomarker for MATE-mediated renal drug-drug interactions: impact of cimetidine, rifampin, verapamil, and probenecid.

Clin Pharmacol Ther, 2023, 113: 1070-1079

 

Urbanczyk S, Baris OR, Hofmann J, Taudte VR, Guegen N, Golombek F, Castiglione K, Meng X, Bozec A, Thomas J, Weckwerth L, Mougiakakos D, Schulz SR, Schuh W, Schlötzer-Schrehardt U, Steinmetz TD, Brodesser S, Wiesner RJ, Mielenz D. Mitochondrial respiration in B lymphocytes is essential for humoral immunity by controlling the flux of the TCA cycle

Cell Reports, 2022, 10:110912

 

Gessner A, Gemeinhardt A, Bosch A, Kannenkeril D, Staerk C, Mayr A, Fromm MF, Schmieder RE, Maas R. Effects of treatment with SGLT-2 inhibitors on arginine-related cardiovascular and renal biomarkers.

Cardiovasc Diabetol, 2022, 21: 4

 

Gessner A, di Giuseppe R, Koch M, Fromm MF, Lieb W, Maas R. Trimethylamine-N-oxide (TMAO) determined by LC-MS/MS: distribution and correlates in the population-based PopGen cohort.

Clin Chem Lab Med, 2020, 58: 733-740.

 

Gessner A, Mieth M, Auge D, Chafai A, Müller F, Fromm MF, Maas R. Establishment of reference values for the lysine acetylation marker Nɛ-acetyllysine in small volume human plasma samples by a multi-target LC-MS/MS method.

Amino Acids, 2019, 51: 1259-1271

 

Burdin DV, Kolobov AA, Brocker C, Soshnev AA, Samusik N, Demyanov AV, Brilloff S, Jarzebska N, Martens-Lobenhoffer J, Mieth M, Maas R, Bornstein SR, Bode-Böger SM, Gonzalez F, Weiss N, Rodionov RN. Diabetes-linked transcription factor HNF4α regulates metabolism of endogenous methylarginines and β-aminoisobutyric acid by controlling expression of alanine-glyoxylate aminotransferase 2.

Sci Rep, 2016, 6: 35503

 

Rodionov RN, Oppici E, Martens-Lobenhoffer J, Jarzebska N, Brilloff S, Burdin DV, Demyanov AV, Kolouschek A, Leiper J, Maas R, Cellini B, Weiss N, Bode-Böger SM. A novel pathway for metabolism of the cardiovascular risk factor homoarginine by alanine:glyoxylate aminotransferase 2.

Sci Rep, 2016, 6: 35277

 

Müller F, Pontones CA, Renner B, Mieth M, Hoier E, Auge D, Maas R, Zolk O, Fromm MF. N1-methylnicotinamide as an endogenous probe for drug interactions by renal cation transporters: studies on the metformin-trimethoprim interaction.

Eur J Clin Pharmacol, 2015, 71: 85-94

 

Rodionov RN, Martens-Lobenhoffer J, Brilloff S, Hohenstein B, Jarzebska N, Jabs N, Kittel A, Maas R, Weiss N, Bode-Böger SM. Role of alanine:glyoxylate aminotransferase 2 in metabolism of asymmetric dimethylarginine in the settings of asymmetric dimethylarginine overload and bilateral nephrectomy.

Nephrol Dial Transplant, 2014, 29: 2035-2042

 

Jacobi J, Maas R, Arend M, Cordasic N, Hilgers KF. Effect of lowering asymmetric dimethylarginine (ADMA) on vascular pathology in atherosclerotic ApoE-deficient mice with reduced renal mass.

Int J Mol Sci, 2014, 15: 5522-5535

 

Kittel A, Müller F, König J, Mieth M, Sticht H, Zolk O, Kralj A, Heinrich MR, Fromm MF, Maas R. Alanine-glyoxylate aminotransferase 2 (AGXT2) polymorphisms have considerable impact on methylarginine and beta-aminoisobutyrate metabolism in healthy volunteers.

PLOS ONE, 2014, 9: e88544

 

Strobel J, Müller F, Zolk O, Endress B, König J, Fromm MF, Maas R. Transport of asymmetric dimethylarginine (ADMA) by cationic amino acid transporter 2 (CAT2), organic cation transporter 2 (OCT2) and multidrug and toxin extrusion protein 1 (MATE1).

Amino Acids, 2013, 45: 989-1002

 

Kittel A, Maas R, König J, Mieth M, Weiss N, Jarzebska N, Hohenstein B, Martens-Lobenhoffer J, Bode-Böger SM, Rodionov RN. In vivo evidence that Agxt2 can regulate plasma levels of dimethylarginines in mice.

Biochem Biophys Res Commun, 2013, 430: 84-89

 

Pizzarelli F, Maas R, Dattolo P, Tripepi G, Michelassi S, D’Arrigo G, Mieth M, Bandinelli S, Ferrucci L, Zoccali C. Asymmetric dimethylarginine predicts survival in the elderly.

Age, 2013, 35: 2465-7

 

Ravani P, Maas R, Malberti F, Pecchini P, Mieth M, Quinn R, Tripepi G, Mallamaci F, Zoccali C. Homoarginine and mortality in pre-dialysis chronic kidney disease (CKD) patients.

PLOS ONE, 2013, 8: e72694

 

Siegerink B, Maas R, Vossen CY, Schwedhelm E, Koenig W, Böger R, Rothenbacher D, Brenner H, Breitling LP. Asymmetric and symmetric dimethylarginine and risk of secondary cardiovascular disease events and mortality in patients with stable coronary heart disease: the KAROLA follow-up study.

Clin Res Cardiol, 2013, 102: 193-202

 

Strobel J, Mieth M, Endress B, Auge D, König J, Fromm MF, Maas R. Interaction of the cardiovascular risk marker asymmetric dimethylarginine (ADMA) with the human cationic amino acid transporter 1 (CAT1).

J Mol Cell Cardiol, 2012, 53: 392-400

 

Cracowski JL, Degano B, Chabot F, Labarere J, Schwedhelm E, Monneret D, Iuliano L, Schwebel C, Chaouat A, Reynaud-Gaubert M, Faure P, Maas R, Renversez JC, Cracowski C, Sitbon O, Yaici A, Simonneau G, Humbert M. Independent association of urinary F2-isoprostanes with survival in pulmonary arterial hypertension.

Chest, 2012, 142: 869-876

 

Lüneburg N, von Holten RA, Töpper RF, Schwedhelm E, Maas R, Böger RH. Symmetric dimethylarginine is a marker of detrimental outcome in the acute phase after ischaemic stroke: role of renal function.

Clin Sci, 2012, 122: 105-111

 

Pecchini P, Malberti F, Mieth M, Quinn R, Tripepi G, Mallamaci F, Maas R, Zoccali C, Ravani P. Measuring asymmetric dimethylarginine (ADMA) in CKD: a comparison between enzyme-linked immunosorbent assay and liquid chromatography-electrospray tandem mass spectrometry.

J Nephrol, 2012, 25: 1016-1022

 

Atzler D, Mieth M, Maas R, Böger RH, Schwedhelm E. Stable isotope dilution assay for liquid chromatography-tandem mass spectrometric determination of L-homoarginine in human plasma.

J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci, 2011, 879: 2294-2298

 

Lüneburg N, Xanthakis V, Schwedhelm E, Sullivan LM, Maas R, Anderssohn M, Riederer U, Glazer NL, Vasan R S, Böger RH. Reference intervals for plasma L-arginine and the L-arginine:asymmetric dimethylarginine ratio in the Framingham Offspring Cohort.

J Nutr, 2011, 141: 2186-2190

 

Schwedhelm E, Xanthakis V, Maas R, Sullivan LM, Atzler D, Lüneburg N, Glazer NL, Riederer U, Vasan RS, Böger RH. Plasma symmetric dimethylarginine reference limits from the Framingham offspring cohort.

Clin Chem Lab Med 2011, 49: 1907-1910

 

von Leitner EC, Klinke A, Atzler D, Slocum JL, Lund N, Kielstein JT, Maas R, Schmidt-Haupt R, Pekarova M, Hellwinkel O, Tsikas D, D’Alecy LG, Lau D, Willems S, Kubala L, Ehmke H, Meinertz T, Blankenberg S, Schwedhelm E, Gadegbeku CA, Böger RH, Baldus S, Sydow K. Pathogenic cycle between the endogenous nitric oxide synthase inhibitor asymmetrical dimethylarginine and the leukocyte-derived hemoprotein myeloperoxidase.

Circulation, 2011, 124: 2735-2745

 

Jacobi J, Maas R, Cardounel AJ, Arend M, Pope AJ, Cordasic N, Heusinger-Ribeiro J, Atzler D, Strobel J, Schwedhelm E, Böger RH, Hilgers KF. Dimethylarginine dimethylaminohydrolase overexpression ameliorates atherosclerosis in apolipoprotein E-deficient mice by lowering asymmetric dimethylarginine.

Am J Pathol, 2010, 176: 2559-2570