Julius-Bernstein-Institut für Physiologie
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Julius-Bernstein-Institut für Physiologie
Magdeburger Straße 6
06112 Halle (Saale)
Tel.:+49 345 5571886
Fax:+49 345 5574019
Profil
Forschungsprofil
Arbeitsgruppe Professor Isenberg
Mechanosensitive Ionenkanäle in Herz-Ventrikelmyozyten
Kardiomyozyten werden während jeder diastolischen Füllung passiv gedehnt. Dieser physiologischeh Dehnung steht der pathologische mechanische Reiz gegenüber, es ist dies ein Shear-Stress, der durch äußeren Impakt (Herzkatheter, Unfall) verursacht wird, und der Extrasystolen verursachen kann. An Ventrikelmyozyten, die aus der Maus isoliert werden, wird analysiert:
· Welche Ionenkanäle sind mechanosensitiv (Elektrophysiologie)? Im Vordergrund stehen Dehnungs-aktivierte nicht-selektive Kationenkanäle (ISAC) und Dehnungs-deaktivierte Kaliumkanäle (IK1).
· Welche Sensoren vermitteln den Shear-Stress ins Zellinnere? Neben dem Cytoskelett (Tensegrity Modell) werden als Dehnungssensoren Integrin- und AT1-Rezeptoren sowie z-Bande-Proteine stimuliert und in ihren Konsequenzen analysiert (konfokale Mikroskopie).
· Wird das intrazelluläre Signal durch Peroxynitrit als second messenger vermittelt? Vorversuche haben die Beteiligung von Nitroxyd und Sauerstoffsuperoxid nahe gelegt (Fluoreszenzmikroskopie). Welche Enzyme produzieren diese Radikale (eNOS oder nNOS Isoform, NOX Isolformen, transgene Tiere).
· Dehnungs-induzierter Singalfluss: Welche Rolle spielen Phospholipasen und Membranlipide bei der Kanalaktivierung? Welcher Ionenkanal liegt ISAC zugrunde (TRPC6)?
· Bedeutung physiologischer Dehnung für die Inotropie (Kraftsteigerung): Dehnungs-induzierte Veränderungen der zellulären Na-Belastung und der Ca2 -Transienten. Herzhypertrophie bei Druckbelastung: Expressionsänderung in Abhängigkeit vom AT1-Rezeptor und von Integrinen.
Altersveränderungen von Kardiomyozyten
Die Alterung von Kardiomyozyten, die aus Maus, Ratte oder Schaf isoliert wurden, wird in Hinblick auf Struktur und Funktion charakterisiert. Bisher gewonnene Daten zeigen, dass im gleichen alten Herzen Myozyten mit unterschiedlich stark ausgeprägten Altersveränderungen nebeneinander vorkommen. Die Arbeiten am Tiermodell ¿Schaf¿ werden in Kooperation in der Gruppe von Prof. D. Eisner (Cardiovascular Department, University of Manchester, U.K.) durchgeführt.
· Altersveränderte Kontraktion und Erschlaffung. Fibrosierung des Altersherzens (Quantifizierung in Maus, Schaf und Mensch) und deren funktionelle Bedeutung. Besonderheiten der Ca2 -Transienten gealterter Ventrikelmyozyten (Maus, Ratte, Schaf): Ursachen der verlangsamten Kinetik und der fehlenden Frequenzinotropie (unzureichende Phosphorylierung von Phospholamban?).
· Vergleich von Kontraktion und Ca2 -Transienten Ventrikelmyozyten aus seneszenten Mäusen mit solchen aus insuffizienten Herzen transgener Tiere (konstitutiv aktive b1-Rezeptoren, CaN k.o., eNOS k.o., nNOS k.o., Doppel eNOS-nNOS k.o.). Besonders wird abgehoben auf die gesteigerte Stressempfindlichkeit, die apoptotische Zelluntergänge nach sich zieht.
· Mitochondriale Ursachen der myokardialen Zellalterung: Änderungen des mitochondrialen Membranpotentials in Ventrikelmyozyten (Vergleich zwischen jungen und seneszenten Mäusen), Beeinträchtigung der Stresstoleranz (mechanische Dehnung, oxidativer Stress).
· Restitution des kontraktilen Verhaltens seneszenter Kardiomyozyten durch Verbesserung ihrer zellulären oxidativen Abwehr. Beeinflussung des seneszenten Phänotyps durch körperliche Aktivität und Futterangebot (Maus, Schaf).
Arbeitsgruppe Professor Markwardt
Untersuchung der Bedeutung von Purinorezeptoren vom Typ P2X für die Funktion von humanen B-Lymphozyten
· Adenosintriphosphat (ATP) ist nicht nur ein intrazellulärer Energielieferant, es wird auch von Nervenendigungen als Transmitter sowie unter pathophysiologischen Bedingungen wie Blutgerinnung, Hypoxie und Entzündung von vielen Zellen in den Extrazellulärraum freigesetzt. P2X-Purinorezeptoren sind Kationenkanäle der Zellmembran, die durch extrazelluläres ATP geöffnet werden. Sie werden von den meisten Geweben (z.B. Muskelzellen, Endothelzellen, Nervenzellen, Leukozyten) des menschlichen Körpers exprimiert. Ihre Funktion in humanen B-Lymphozyten wird mittels Spannungsklammertechnik (Ganzzell, Einzelkanal) und fluoreszenzoptischer Messung der intrazellulären Ca2 - und Na -Konzentration ([Ca2 ]i, [Na ]i) am Einzelzellmessplatz sowie am Durchflusszytometer (FACS) untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Medizinische Immunologie der Universität Halle (Prof. Dr. J. Langner, Dr. D. Riemann) wird mittels FACS außerdem der Einfluss von ATP auf Membranpotential, Aktivierung, Proliferation und Apoptose humaner B-Zellen analysiert.
· In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. G. Schmalzing wird die biophysikalische Funktion des humanen P2X7-Rezeptors mittels molekularbiologischer, elektrophysiologischer und fluoreszenzoptischer Methoden untersucht.
Beeinflussung des Proliferationsverhaltens humaner Keratinozyten durch Ionenströme, Membranpotential und intrazelluläre Kalziumionenkonzentration
· Neue Erkenntnisse über diese Zusammenhänge könnten neue Therapiestrategien für die Behandlung von Hauterkrankungen liefern, bei denen das Wachstum dieser Hautzellen gestört ist. Bei den Experimenten kommen Spannungsklammertechnik und [Ca2 ]i-Messung mittels Fluoreszenzfarbstoffen am Einzelzellmeßplatz sowie am FACS (wie unter 1. beschrieben) zum Einsatz. Als nächstes soll die pharmakologische Charakterisierung eines in den humanen Keratinozyten gefundenen neuartigen 175 pS K -Kanals sowie die Untersuchung seiner Funktion in diesen Zellen erfolgen.
Arbeitsgruppe Professor Gallitelli
Mechanisch-induzierte Transkriptionsaktivierung über Calcium-vermittelte Signalwege
Biomechanische Kräfte beeinflussen die Genexpression und den Phänotyp kardiovaskulärer Zellen. Folgende Hypothesen der mechanisch induzierten Transkriptionsaktivierung kardiovaskulärer Zellen werden verfolgt:
Arbeitsgruppe Professor Klöckner
Hemmung der Insuffizienzentwicklung seneszenter Kardiomyozyten durch Hormone und durch körperliche Aktivität
Adulte Kardiomyozyten sind terminal differenzierte Zellen, die nicht mehr teilungsfähig sind. Als adaptive Antwort auf vermehrte hämodynamische Last reagieren sie mit Ausbildung einer Hypertrophie. In der neueren Literatur werden 2 Typen von Hypertrophie unterschieden: Pathologische Hypertrophie entsteht bei langanhaltender Belastung ohne Erholungsintervalle, wie dies bei Hypertonie oder nach einem Myokardinfarkt der Fall ist. In der Regel wird die veränderte Genexpression durch eine Erhöhung der diastolischen Kalziumkonzentration ausgelöst, die zur Aktivierung der Ca2 -/Kalmodulin abhängigen Phosphatase Kalzineurin führt. Kalzineurin dephosphoryliert den Transkriptionsfaktor NFAT, der in den Zellkern translatiert und Hypertrophiegene aktiviert. Physiologische Hypertrophie entsteht durch Anpassung des Herzen an intermittierende physikalische Aktivität. Sie ist nicht mit Zelltod, interstitieller Fibrose oder der Entwicklung einer Herzinsuffizienz verbunden. An ihren Signaltransduktionswegen sind Tyrosinkinaserezeptoren (Integrine, ¿insulin-like growth factor-1 (IGF-1)), Phosphoinositid-3-Kinase PI3K, Akt (Proteinkinase B) und Glykogen Synthase Kinase -3b (GSK-3b) beteiligt. Wir postulieren, dass der altersbedingte Myozytenverlust für die verbleibenden Kardiomyozyten eine Dauerbelastung darstellt, die pathologische Hypertrophie über eine erhöhte diastolische freie Kalziumkonzentration auslöst. Kardiale Altersinsuffizienz entwickelt sich über ähnliche Signalwege wie Überlastinsuffizienz. Wir verfolgen experimentell das Konzept, dass die seneszente Insuffizienzentwicklung gehemmt werden kann durch Therapien, die pathologische Hypertrophie mindern. Unsere weiteren Untersuchungen verfolgen die Hypothese, dass die Signalwege der pathologischen und physiologischen Hypertrophieentwicklung um eine oder mehrere finale Zielproteine (wie GSK-3b) kompetitieren. Wir spekulieren, dass Induktion physiologischer Hypertrophie, wie z.B. durch dynamisches körperliches Training, in der Lage sein sollte, pathologische Hypertrophie abzuschwächen und das Risiko des Auftretens einer seneszenten Herzinsuffizienz mindern kann.
Mechanosensitive Ionenkanäle in Herz-Ventrikelmyozyten
Kardiomyozyten werden während jeder diastolischen Füllung passiv gedehnt. Dieser physiologischeh Dehnung steht der pathologische mechanische Reiz gegenüber, es ist dies ein Shear-Stress, der durch äußeren Impakt (Herzkatheter, Unfall) verursacht wird, und der Extrasystolen verursachen kann. An Ventrikelmyozyten, die aus der Maus isoliert werden, wird analysiert:
· Welche Ionenkanäle sind mechanosensitiv (Elektrophysiologie)? Im Vordergrund stehen Dehnungs-aktivierte nicht-selektive Kationenkanäle (ISAC) und Dehnungs-deaktivierte Kaliumkanäle (IK1).
· Welche Sensoren vermitteln den Shear-Stress ins Zellinnere? Neben dem Cytoskelett (Tensegrity Modell) werden als Dehnungssensoren Integrin- und AT1-Rezeptoren sowie z-Bande-Proteine stimuliert und in ihren Konsequenzen analysiert (konfokale Mikroskopie).
· Wird das intrazelluläre Signal durch Peroxynitrit als second messenger vermittelt? Vorversuche haben die Beteiligung von Nitroxyd und Sauerstoffsuperoxid nahe gelegt (Fluoreszenzmikroskopie). Welche Enzyme produzieren diese Radikale (eNOS oder nNOS Isoform, NOX Isolformen, transgene Tiere).
· Dehnungs-induzierter Singalfluss: Welche Rolle spielen Phospholipasen und Membranlipide bei der Kanalaktivierung? Welcher Ionenkanal liegt ISAC zugrunde (TRPC6)?
· Bedeutung physiologischer Dehnung für die Inotropie (Kraftsteigerung): Dehnungs-induzierte Veränderungen der zellulären Na-Belastung und der Ca2 -Transienten. Herzhypertrophie bei Druckbelastung: Expressionsänderung in Abhängigkeit vom AT1-Rezeptor und von Integrinen.
Altersveränderungen von Kardiomyozyten
Die Alterung von Kardiomyozyten, die aus Maus, Ratte oder Schaf isoliert wurden, wird in Hinblick auf Struktur und Funktion charakterisiert. Bisher gewonnene Daten zeigen, dass im gleichen alten Herzen Myozyten mit unterschiedlich stark ausgeprägten Altersveränderungen nebeneinander vorkommen. Die Arbeiten am Tiermodell ¿Schaf¿ werden in Kooperation in der Gruppe von Prof. D. Eisner (Cardiovascular Department, University of Manchester, U.K.) durchgeführt.
· Altersveränderte Kontraktion und Erschlaffung. Fibrosierung des Altersherzens (Quantifizierung in Maus, Schaf und Mensch) und deren funktionelle Bedeutung. Besonderheiten der Ca2 -Transienten gealterter Ventrikelmyozyten (Maus, Ratte, Schaf): Ursachen der verlangsamten Kinetik und der fehlenden Frequenzinotropie (unzureichende Phosphorylierung von Phospholamban?).
· Vergleich von Kontraktion und Ca2 -Transienten Ventrikelmyozyten aus seneszenten Mäusen mit solchen aus insuffizienten Herzen transgener Tiere (konstitutiv aktive b1-Rezeptoren, CaN k.o., eNOS k.o., nNOS k.o., Doppel eNOS-nNOS k.o.). Besonders wird abgehoben auf die gesteigerte Stressempfindlichkeit, die apoptotische Zelluntergänge nach sich zieht.
· Mitochondriale Ursachen der myokardialen Zellalterung: Änderungen des mitochondrialen Membranpotentials in Ventrikelmyozyten (Vergleich zwischen jungen und seneszenten Mäusen), Beeinträchtigung der Stresstoleranz (mechanische Dehnung, oxidativer Stress).
· Restitution des kontraktilen Verhaltens seneszenter Kardiomyozyten durch Verbesserung ihrer zellulären oxidativen Abwehr. Beeinflussung des seneszenten Phänotyps durch körperliche Aktivität und Futterangebot (Maus, Schaf).
Arbeitsgruppe Professor Markwardt
Untersuchung der Bedeutung von Purinorezeptoren vom Typ P2X für die Funktion von humanen B-Lymphozyten
· Adenosintriphosphat (ATP) ist nicht nur ein intrazellulärer Energielieferant, es wird auch von Nervenendigungen als Transmitter sowie unter pathophysiologischen Bedingungen wie Blutgerinnung, Hypoxie und Entzündung von vielen Zellen in den Extrazellulärraum freigesetzt. P2X-Purinorezeptoren sind Kationenkanäle der Zellmembran, die durch extrazelluläres ATP geöffnet werden. Sie werden von den meisten Geweben (z.B. Muskelzellen, Endothelzellen, Nervenzellen, Leukozyten) des menschlichen Körpers exprimiert. Ihre Funktion in humanen B-Lymphozyten wird mittels Spannungsklammertechnik (Ganzzell, Einzelkanal) und fluoreszenzoptischer Messung der intrazellulären Ca2 - und Na -Konzentration ([Ca2 ]i, [Na ]i) am Einzelzellmessplatz sowie am Durchflusszytometer (FACS) untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Medizinische Immunologie der Universität Halle (Prof. Dr. J. Langner, Dr. D. Riemann) wird mittels FACS außerdem der Einfluss von ATP auf Membranpotential, Aktivierung, Proliferation und Apoptose humaner B-Zellen analysiert.
· In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. G. Schmalzing wird die biophysikalische Funktion des humanen P2X7-Rezeptors mittels molekularbiologischer, elektrophysiologischer und fluoreszenzoptischer Methoden untersucht.
Beeinflussung des Proliferationsverhaltens humaner Keratinozyten durch Ionenströme, Membranpotential und intrazelluläre Kalziumionenkonzentration
· Neue Erkenntnisse über diese Zusammenhänge könnten neue Therapiestrategien für die Behandlung von Hauterkrankungen liefern, bei denen das Wachstum dieser Hautzellen gestört ist. Bei den Experimenten kommen Spannungsklammertechnik und [Ca2 ]i-Messung mittels Fluoreszenzfarbstoffen am Einzelzellmeßplatz sowie am FACS (wie unter 1. beschrieben) zum Einsatz. Als nächstes soll die pharmakologische Charakterisierung eines in den humanen Keratinozyten gefundenen neuartigen 175 pS K -Kanals sowie die Untersuchung seiner Funktion in diesen Zellen erfolgen.
Arbeitsgruppe Professor Gallitelli
Mechanisch-induzierte Transkriptionsaktivierung über Calcium-vermittelte Signalwege
Biomechanische Kräfte beeinflussen die Genexpression und den Phänotyp kardiovaskulärer Zellen. Folgende Hypothesen der mechanisch induzierten Transkriptionsaktivierung kardiovaskulärer Zellen werden verfolgt:
- Mechanische Deformation steigert die Ca-Konzentration im Cytosol nahe der Oberflächenmembran. Es werden Ca-gesteuerten Signalkaskaden aktiviert, deren Elemente in den Kern transloziert werden und dort die Transkription aktivieren. Dabei ändert sich die Ca-Konzentration im Zellkern nicht.
- Mechanische Deformation steigert die Ca-Konzentration im Zellkern und im Kern werden Ca-abhängige Wege der Transkription aktiviert. Die Ca-Konzentration-Steigerung wird durch Dehnungs-abhängige Ca-Freisetzung aus der Kernhülle oder durch Angleich der Kern-Ca-Konzentration im Cytosol ausgelöst.
- Mechanische Deformation des Zellkerns induziert Chromatin-Dekondensation und Genexpression Ca-unabhängig.Das Projekt misst mit analytischer Elektronenstrahl-Mikroanalyse Ca- und Na-Konzentrationen in Zellkompartimenten. Es konnte nachgewiesen werden, dass mechanische Deformation die Ca-Konzentration nicht nur im subsarkolemmalen Raum, sondern auch in dem Zellkern und in der Kernhülle steigert.
Arbeitsgruppe Professor Klöckner
Hemmung der Insuffizienzentwicklung seneszenter Kardiomyozyten durch Hormone und durch körperliche Aktivität
Adulte Kardiomyozyten sind terminal differenzierte Zellen, die nicht mehr teilungsfähig sind. Als adaptive Antwort auf vermehrte hämodynamische Last reagieren sie mit Ausbildung einer Hypertrophie. In der neueren Literatur werden 2 Typen von Hypertrophie unterschieden: Pathologische Hypertrophie entsteht bei langanhaltender Belastung ohne Erholungsintervalle, wie dies bei Hypertonie oder nach einem Myokardinfarkt der Fall ist. In der Regel wird die veränderte Genexpression durch eine Erhöhung der diastolischen Kalziumkonzentration ausgelöst, die zur Aktivierung der Ca2 -/Kalmodulin abhängigen Phosphatase Kalzineurin führt. Kalzineurin dephosphoryliert den Transkriptionsfaktor NFAT, der in den Zellkern translatiert und Hypertrophiegene aktiviert. Physiologische Hypertrophie entsteht durch Anpassung des Herzen an intermittierende physikalische Aktivität. Sie ist nicht mit Zelltod, interstitieller Fibrose oder der Entwicklung einer Herzinsuffizienz verbunden. An ihren Signaltransduktionswegen sind Tyrosinkinaserezeptoren (Integrine, ¿insulin-like growth factor-1 (IGF-1)), Phosphoinositid-3-Kinase PI3K, Akt (Proteinkinase B) und Glykogen Synthase Kinase -3b (GSK-3b) beteiligt. Wir postulieren, dass der altersbedingte Myozytenverlust für die verbleibenden Kardiomyozyten eine Dauerbelastung darstellt, die pathologische Hypertrophie über eine erhöhte diastolische freie Kalziumkonzentration auslöst. Kardiale Altersinsuffizienz entwickelt sich über ähnliche Signalwege wie Überlastinsuffizienz. Wir verfolgen experimentell das Konzept, dass die seneszente Insuffizienzentwicklung gehemmt werden kann durch Therapien, die pathologische Hypertrophie mindern. Unsere weiteren Untersuchungen verfolgen die Hypothese, dass die Signalwege der pathologischen und physiologischen Hypertrophieentwicklung um eine oder mehrere finale Zielproteine (wie GSK-3b) kompetitieren. Wir spekulieren, dass Induktion physiologischer Hypertrophie, wie z.B. durch dynamisches körperliches Training, in der Lage sein sollte, pathologische Hypertrophie abzuschwächen und das Risiko des Auftretens einer seneszenten Herzinsuffizienz mindern kann.
Personen • Projekte • Kooperationen
Personenliste
Projektliste
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Kooperationsliste
- Prof. Dr. Mike Schutkowski, MLU, Halle
- Prof. Humpf, Münster
Publikationen
Publikationsliste
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