Immunzellen haben einen steten Energiebedarf für sowohl lebenserhaltende als auch immunspezifische Funktionen. ATP, die hauptsächliche zelluläre Energieform, wird überwiegend durch die OXPHOS über die Atmungskette der Mitochondrien gewonnen, aber auch durch die zytosolische Glykolyse. Dazu werden von Lymphozyten und Monozyten in erster Linie Sauerstoff, Glukose und bei Glukosemangel Aminosäuren verstoffwechselt. In der vorgestellten Untersuchung konnte erfolgreich ein vierfaktorielles in vitro Modell entwickelt werden, daß die Situation in Gebieten mit verminderten Sauerstoff- und Glukosekonzentrationen vereinfacht nachstellte: In (1) hochgereinigten humanen peripheren CD4+ T-Zellen und CD14+ Monozyten wurde (2) mittels des Atmungskettenhemmstoffs Myxothiazol die zelluläre Sauerstoffverwertung gehemmt und damit Sauerstoffmangel nachgeahmt. (3) Während der Zellaktivierung mit dem Phorbolester PMA und dem
Ca²⁺-Ionophor Ionomycin, immobilisierten CD3- und löslichen CD28-Antikörpern und opsonierten Escherichia coli-Bakterien wurde (4) die Konzentration von Glukose, dem wichtigsten nutritiven Substrat der Zellen, variabel gestaltet. Mit dem Modell wurde der Frage nachgegangen, wie Immunzellen gesunder Blutspender auf veränderte Bedingungen ihrer zellulären Mikroumgebung reagieren und welche spezifischen Funktionen in welchem Umfang durch Energiemangel beeinträchtigt werden.

Beide Zellarten zeigten einen ausgeprägten Crabtree-Effekt. Dieser äußerte sich in einem Ruhesauerstoffverbrauch von 2,34 bzw. 2,18 nmol O₂/min/10⁷ Zellen bei den CD4+ T-Zellen und 6,05 bzw. 4,55 nmol O₂/min/10⁷ Zellen bei den CD14+ Monozyten in jeweils glukosefreiem bzw. glukosehaltigem Zellkulturmedium. Darüber hinaus verfügen die Zellen über ein unerwartet hohes adaptatives Potential, spezifische Funktionen unter massiv eingeschränkten energetischen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Überraschenderweise zeigte sich nur bei gleichzeitig vorliegendem Sauerstoff- und Glukosemangel eine signifikante Beeinträchtigung der PMA-Ionomycin-induzierten Zytokinsynthese und CD3/CD28-stimulierten Proliferation der CD4+ T-Zellen sowie der monozytären Phagozytoseaktivität. War Glukose verfügbar, kompensierte die glykolytische ATP-Gewinnung die vollständig unterdrückte Energiesynthese aus der OXPHOS und die Funktionen waren nicht beeinträchtigt.

In Untersuchungen der mRNA- und Proteinexpression der α-Untereinheit des Transkriptionsfaktors HIF-1 wurde festgestellt, daß der maßgeblich an der Umschaltung auf den anaeroben Energiestoffwechsel beteiligte Faktor nicht entscheidend sein konnte für die Aufrechterhaltung der Energiebereitstellung in PMA-Ionomycin-stimulierten CD4+ T-Zellen bei vollständig unterdrückter Energiesynthese über die OXPHOS.

Beim Vergleich mit den anderen untersuchten Immunfunktionen nahm die Proliferation den höchsten Rang in der Abhängigkeit von der glykolytischen Energiegewinnung ein. Der Entzug von Glukose bewirkte eine mittlere Beeinträchtigung um 62,6 %. Die Phagozytose war durch Glukoseentzug um 40,9 % reduziert. Für die Zytokinsynthese konnte unter diesen Bedingungen kein statistisch signifikanter Effekt nachgewiesen werden. Die Hierarchie der Abhängigkeit der untersuchten Immunfunktionen von der OXPHOS gestaltete sich anders. Hier stand die Zytokinsynthese an erster Stelle mit 81,9 % für IL-2, 67,7 % für TNF-α und 57,9 % für IL-4. Danach folgten die Proliferation mit 56,4 % und die Phagozytose mit 31,3 %. Die IFN-γ-Synthese lag, leicht abweichend von den anderen Zytokinen, mit 54,2 % knapp hinter der Proliferation. Bei den IL-2-, TNF-α- und IL-4-Produzenten konnte ein Alles-oder-Nichts-Prinzip hinsichtlich der Abhängigkeit der Zytokinsynthese von der Energieverfügbarkeit beobachtet werden: Bei zunehmendem Energiemangel stellte die stimulierte Zelle die Zytokinsynthese entweder vollständig ein oder sie wurde konstant gehalten. Dagegen waren CD4+ T-Zellen in der Lage, die Intensität der IFN-γ-Synthese vor ihrer vollständigen Einstellung zu reduzieren.

Bei der Erfassung des Sauerstoffverbrauchs auf unterschiedlichen Niveaus während der PMA-Ionomycin-Stimulation zeigte sich eine Verzehnfachung der anfänglichen Steigerungsfähigkeit eines einzelnen Mitochondriums. Durch Integralrechnung konnte der minimale Sauerstoffbedarf von 450 nmol O₂/10⁷ CD4+ T-Zellen ermittelt werden, der Überleben und Restfunktionalität sicherte. Daraus errechnete sich ein Energiebedarf von 2,70 µmol ATP/10⁷ CD4+ T-Zellen aus der OXPHOS. Unter glykolytischen Bedingungen wurde ein minimaler Energiebedarf von 1,67 µmol ATP/10⁷ CD4+ T-Zellen ermittelt. Zur Differenzbildung trug die glykolytische ATP-Gewinnung bei, die an der Absicherung der vollständigen Funktionalität der CD4+ T-Zellen beteiligt war.