Die Herstellung von Erythrozyten im Labor geht ein anhaltendes Problem an: Der Transfusionsbedarf übersteigt das Spenderaufkommen, und der Mangel trifft Patienten mit seltenen Blutgruppen besonders hart. Die Arbeitsgruppe hatte zuvor ein dreistufiges Protokoll entwickelt, das aus CD34+-Zellen – aus Knochenmark, peripherem Blut, Leukapherese oder Nabelschnurblut – in einem serumfreien, mit Zytokinen supplementierten Medium reife Erythrozyten gewinnt. Offen blieb, ob diese Zellen den nativen Zellen metabolisch entsprechen. Genau das prüft die vorliegende Arbeit – metabolomisch, zunächst im Retikulozytenstadium, dann nach der Ausreifung.
Die Kultur begann mit CD34+-Zellen aus Nabelschnurblut, die in die erythroide Linie gelenkt und anschließend auf murine MS-5-Stromazellen übertragen wurden, deren Mikromilieu die Differenzierung bis zur Enukleation trägt. An Tag 15 bestand die Population überwiegend aus Retikulozyten: 89 % ± 10 % in der Thiazolorange-Färbung, derselbe Anteil für den Transferrinrezeptor CD71. Die Vergleichsgruppe stammte ebenfalls aus Nabelschnurblut – native Retikulozyten, durch immunmagnetische Anti-CD71-Selektion mit einer Reinheit von über 96 % ± 2 % gewonnen. Die Metabolite beider Populationen wurden anschließend über zwei an hochauflösende Massenspektrometrie gekoppelte Flüssigchromatographie-Systeme in positiver und negativer Ionisierung analysiert; die hydrophile Interaktionschromatographie erfasste die stark polaren Verbindungen, die Umkehrphase die Fettsäuren und Acylcarnitine. Sechsundachtzig Verbindungen von biologischem Interesse wurden für die Auswertung berücksichtigt.
Die zentralen Stoffwechselwege der Erythrozytenfunktion – Glykolyse, Glutathionstoffwechsel – erwiesen sich zwischen beiden Retikulozytentypen als deckungsgleich. Einundzwanzig Metabolite lagen um mindestens den Faktor zwei höher oder niedriger. Unter den in Kultur erhöhten Metaboliten fanden sich sechs Aminosäuren (Glutamin, Alanin, Serin, Ornithin, Threonin, Asparagin), was sich durch ihre Konzentration im Medium und ihre Oberflächentransporter hinreichend erklären lässt. Der Rückgang von Carnitin und seinen Derivaten deutet auf einen geringeren Membranumsatz als in der Zirkulation hin, wo die Belastung der Membran höher ist. Der Rückgang von Malat, 2-Oxoglutarat und Succinat spricht für eine ATP-Gewinnung, die die Glykolyse bevorzugt, was durch das glukosereiche Medium begünstigt wird. Die beiden am stärksten verminderten Metabolite, Ergothionein und Stachydrin, teilen sich denselben Transporter und fehlen im Medium oder kommen dort nur in Spuren vor: Ergothionein, das menschliche Zellen nicht synthetisieren können, stammt aus mütterlicher Zufuhr und speist einen wirksamen antioxidativen Stoffwechselweg.
Acht weitere Kulturtage führten beide Populationen zur Reife. Die meisten in den kultivierten Retikulozyten erhöhten Metabolite waren dann auf native Werte zurückgekehrt. Von den sechsundachtzig verfolgten Metaboliten entfielen nur sieben auf die Kulturbedingungen und vier auf die Herkunft der Proben; eine Kovarianzanalyse schloss für sieben der elf betroffenen Metabolite eine interindividuelle Variabilität aus. Biotechnologisch hergestellte Erythrozyten tragen damit eine metabolische Signatur, die sich von derjenigen nativer Erythrozyten kaum unterscheidet, und die verbleibenden Abweichungen betreffen keine wesentlichen Funktionen – ein Argument für die Robustheit eines Protokolls, das Patienten mit seltenen Blutgruppen zugutekommen soll.