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Uncovering the dynamics of cellular responses induced by iron-carbohydrate complexes in human macrophages using quantitative proteomics and phosphoproteomics - 13/09/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.115404 
Jonas Bossart a, b, c, Alexandra Rippl a, Amy E. Barton Alston d, Beat Flühmann d, Reinaldo Digigow d, Marija Buljan a, b, Vanesa Ayala-Nunez a, , Peter Wick a,
a Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Particles-Biology Interactions Laboratory, CH-9014 St. Gallen, Switzerland 
b SIB, Swiss Institute of Bioinformatics, CH-1015 Lausanne, Switzerland 
c ETH Zurich, Department of Health Sciences and Technology (D-HEST), CH-8093 Zurich, Switzerland 
d CSL Vifor, CH-8152 Glattbrugg, Switzerland 

Corresponding authors.

Abstract

Iron-carbohydrate complexes are widely used to treat iron deficiencies. Macrophages play a crucial role in the uptake and fate of these nanomedicines, however, how complexed iron carbohydrates are taken up and metabolized by macrophages is still not fully understood. Using a (phospho-)proteomics approach, we assessed differences in protein expression and phosphorylation in M2 macrophages triggered by iron sucrose (IS). Our results show that IS alters the expression of multiple receptors, indicative of a complex entry mechanism. Besides, IS induced an increase in intracellular ferritin, the loss of M2 polarization, protective mechanisms against ferroptosis, and an autophagic response. These data indicate that macrophages can use IS as a source of iron for its storage and later release, however, the excess of iron can cause oxidative stress, which can be successfully regulated by the cells. When comparing IS with ferric carboxymaltose (FCM) and iron isomaltoside-1000 (IIM), complexes with a higher carbohydrate ligand stability, we observed that FCM and IIM are metabolized at a slower rate, and trigger M2 polarization loss to a lower extent. These results indicate that the surface characteristics of the iron-carbohydrate complexes may influence the cell responses. Our data show that the application of (phospho-)proteomics can lead to a better understanding of metabolic processes, including the uptake, biodegradation and bioavailability of nanomedicines.

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Graphical Abstract




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Highlights

Proteomics can unravel molecular response and mode of action of nanomedicines.
Iron-carbohydrate complexes can enter macrophages as complete nanoparticles.
Macrophages use them as a source of iron for storage and later release.
Complexes with a more dynamic interaction are internalized and biodegraded faster.
Macrophages can successfully adapt to oxidative stress, preventing ferroptosis.

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Keywords : Quantitative proteomics, Phosphoproteomics, Iron-carbohydrate complexes, Iron metabolism, Macrophages


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