Integrierte Arbeitsgruppe "Molekulare Mechanismen kardiovaskulärer Erkrankungen"

Prof. Dr. Johannes M. Albes · Chefarzt für Herzchirurgie · Immanuel Klinikum Bernau

Julian Bredehorst · Medizinischer Doktorand · Institut für Biochemie

Prof. Dr. Ivo Buschmann · Professor für Angiologie · Angiologie UKB

Stefan Erfurt · medizinischer Doktorand · Institut für Biochemie / Department für Nephrologie

Prof. Dr. Olaf Grisk · Facharzt für Physiologie · Institut für Physiologie

Dr. Philipp Hillmeister · Forschungsleiter Angiologie · Zentrum für Innere Medizin

Dr. Meike Hoffmeister · Akademische Mitarbeiterin · Institut für Biochemie

Dr. Yury Ladilov · Akademischer Mitarbeiter Abteilung Herz- und Gefäßchirurgie · Immanuel Klinikum Bernau

Vivien Latuske · Studentische Mitarbeiterin · Institut für Biochemie

Dr. Martin Lauxmann · Akademischer Mitarbeiter · Institut für Biochemie

Dr. Lubomir Todorov Lubomirov · Akademischer Mitarbeiter · Institut für Physiologie

Prof. Dr. Stefanie Oess · Prodekanin für Studium und Lehre · Institut für Biochemie

Prof. Dr. Nikolas Pagonas · Chefarzt · Innere Medizin und Kardiologie

Dr. George Papafotiou · Akademischer Mitarbeiter · Institut für Biochemie

Prof. Dr. Daniel Patschan · Leitender Oberarzt · Nephrologie UKB

Dr. Galyna Pryymachuk · Akademische Mitarbeiterin · Institut für Anatomie

Prof. Dr. Oliver Ritter · Klinikdirektor und Chefarzt · Innere Medizin und Kardiologie

Dr. Gregor Sachse · Forschungskoordinator Bereich Herz/Kreislauf · Innere Medizin und Kardiologie

Dr. Wajima Safi · Department für Nephrologie · Universitätsklinikum Brandenburg

Dr. Johanna Tennigkeit · Akademische Mitarbeiterin · Innere Medizin und Kardiologie

Prof. Dr. D. Patschan

Der Terminus „kardiorenale Syndrome“ (CRS – cardiorenal syndrome) wurde erstmalig 2008 definiert. Er beschreibt eine akute oder chronische Funktionsstörung von entweder Herz oder Nieren, welche eine (ebenfalls akute oder chronische) Erkrankung des jeweilig anderen Organs zur Folge hat. Fünf Typen werden differenziert.

Die Einführung des CRS-Konzepts hat letztlich eine stärker interdisziplinäre Betreuung von Herz- und Nierenkranken zum Ziel, häufig werden betroffene Patient:innen entweder vorzugsweise kardiologisch oder nephrologisch behandelt. Im Projektbereich „kardiorenale Syndrome“ führen wir einerseits experimentelle, anderseits epidemiologische und klinische Studien durch.

Die experimentellen Analysen beschäftigen sich mit speziellen Aspekten der Gefäßfehlfunktion bei den CRS Typen 1 und 3. Klinisch erfassen wir systematisch outcome-bezogene Variablen von stationär behandelten Pat. mit CRS, zudem suchen wir intensiv nach neuen Biomarkern dieser Erkrankungen. Letztere könnten dabei helfen, ein CRS zeitnäher zu erkennen oder ggf. Aussagen über den voraussichtlichen Verlauf zu treffen.

Bislang sind bereits klinische Arbeiten zu den CRS Typen 1 und 3 publiziert worden. Insbesondere die klinischen Analysen dienen einer Verbesserung der kardiorenalen Versorgungssituation an der MHB. Damit gliedert sich der Projektbereich gut ein in den übergeordneten wissenschaftlichen Schwerpunkt der MHB, die Versorgungsforschung.

Kollaboratives Projekt aller IAG Mitglieder

Das kardiorenale Syndrom (CRS) umfasst eine Gruppe von fünf Erkrankungen, welche sowohl durch Funktionsstörungen als auch durch strukturelle Veränderungen von Herz und Nieren gekennzeichnet sind. Der Fokus unserer Forschung liegt auf dem CRS Typ 1 und Typ 3. Hierbei handelt es sich um Erkrankungen mit akuter Dynamik bei denen angenommen wird, dass akute Schädigungsereignisse des zuerst betroffenen Organs mindestens zwei wesentliche Prozesse auslösen, welche zur Beeinflussung des anderen Organs führen: (I) die Aktivierung vasomodulatorischer Prozesse (Stimulation vom Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) und adrenergem System) sowie (II) eine zunächst organbezogene und im weiteren Verlauf eine systemische Entzündungsreaktion. Die Vielfalt der dabei beteiligten Signalwege und insbesondere auch die molekulare Identität der beteiligten humoralen und parakrinen Mediatoren ist Gegenstand aktueller Forschung. Eine essentielle Rolle als parakriner Mediator könnte in diesem Zusammenhang Extrazellulären Vesikeln (EVs) zukommen. Extrazelluläre Vesikel sind eine heterogene Gruppe membranumschlossener Nanokompartimente, die von allen Zelltypen in das extrazelluläre Milieu freigesetzt werden. EVs enthalten ein breites Spektrum an Proteinen und nicht-kodierenden RNA Molekülen, die über die Aufnahme in Zielzellen eine komplexe interzelluläre Kommunikation ermöglichen. EVs verfügen über eine hohe Stabilität und Biokompatibilität, die sie vor Abbau schützt und ihnen erlaubt, biologische Membranen zu überwinden. Aktuelle Forschungsarbeiten weisen darauf hin, dass EV-vermittelter cross-talk zwischen multiplen kardialen und extrakardialen Zelltypen von entscheidender Bedeutung bei der kardialen Homöostase und der Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen ist. Ein besseres Verständnis EV-vermittelter, parakriner Signalwege im Rahmen das kardiorenalen Syndroms ist daher unerlässlich für die Entwicklung besserer Behandlungsstrategien. Vor diesem Hintergrund sollen im Rahmen des kollaborativen Projekts der IAG MMKE Patient*innen mit akuter bzw. akut dekompensierter chronischer Herzinsuffizienz sowie mit akuter Nierenschädigung rekrutiert werden und die EV-vermittelten Signalwege mittels verschiedener laborexperimenteller Ansätze analysiert werden.

PD Dr. habil Yury Ladilov

Die Beseitigung geschädigter Makromoleküle und Mitochondrien durch selektive Autophagie ist ein wesentlicher Mechanismus zur Unterstützung der Funktion der Kardiomyozyten. In einigen Studien wurde die Downregulation der Autophagie als möglicher pathologischer Mechanismus bei Herzinsuffizienz beschrieben. Die zugrunde liegenden zellulären Mechanismen sind jedoch nur unzureichend bekannt. Insbesondere die Rolle der Autophagie bei HFpEF ist noch unbekannt. In diesem Projekt wollen wir die Autophagie in Herzproben von Patienten mit Aortenklappensklerose in Kooperation mit der Klinik für Geriatrie, Charité, untersuchen.
Außerdem sollen die menschlichen Herzmuskelzellen isoliert und untersucht werden. Insbesondere soll die Kontraktilitätsanalyse mit Hilfe eines Sarkomer-Längenmessungs Setups von Word Precision Instruments (Friedberg, Deutschland) durchgeführt werden. Ein wichtiger Schwerpunkt des Projekts sind geschlechts- und altersbedingte Unterschiede in der Autophagie-Dysfunktion bei Herzinsuffizienz.

Transient Receptor Potential Melastatin 4 (TRPM4) Ionenkanäle werden in Herzmuskelzellen und kardialem Leitungsgewebe in hohem Maße exprimiert, wo sie einen Ca2+-aktivierten nicht-selektiven Kationenstrom leiten. TRPM4-Kanäle beeinflussen Länge und Form der Aktionspotenziale von atrialen, ventrikulären und Purkinje-Faser-Zellen. Zudem sind Mutationen des TRPM4 Gens mit Herzerkrankungen, insbesondere mit Rhythmusstörungen und altersabhängig progressiven Reizleitungsstörungen assoziiert.

Studien am Tiermodell haben nahegelegt, dass es im alternden Herzen zu einer Aktivierung des Small Ubiquitin MOdifier (SUMO) Systems kommt und TRPM4 Kanäle durch SUMOylierung aktiviert werden. Der zugrundeliegende Mechanismus ist bislang unbekannt. Unsere Experimente haben gezeigt, dass TRPM4-Kanäle Komplexe mit dem SUMOylierbaren Gerüstprotein Caveolin bilden. Außerdem konnten wir nachweisen, dass eine Aktivierung des SUMOylierungs-Systems diese TRPM4/Caveolin-Komplexe dissoziiert und zugleich die TRPM4 Stromdichte erhöht. Dies könnte ein molekularer Mechanismus sein, der die Lücke zwischen zellulärer Seneszenz und den pro-arrhythmogenen und reizleitungsstörenden Effekten des TRPM4-Kanals schließt.

Im Rahmen dieses Projektes charakterisieren wir daher die TRPM4 Kanalaktivierung durch SUMOylierung und Caveolin im Kontext zellulärer Seneszenz. Ziel ist es herauszufinden, ob Seneszenz und Alterung die Regulation des TRPM4 Ionenkanals so verändern, dass das Herz für Arrhythmien anfälliger wird.

In den letzten Jahren wurde in genomweiten Assoziationsstudien ein Zusammenhang zwischen Genpolymorphismen des Stickstoffmonoxid-Synthase-1 (Nos1) Adapterproteins (Nos1ap) und Variationen der Dauer des QT-Intervalls im EKG nachgewiesen. Krankheiten mit QT-Intervall Variationen, können ursächlich für einen plötzlichen Herztod sein.

In diesem Projekt haben wir eine transgene Maus mit einer kardialen Nos1ap Überexpression (Tet-Off System) erstellt. Die Tiere zeigten ein verkürztes QT-Intervall exklusive struktureller Herzveränderungen oder veränderter NT-proBNP Level, als Surrogat Parameter für Herzinsuffizienz. Weiterhin neigten diese Tiere zu spontan auftretenden ventrikulären Tachykardien, bis hin zum Kammerflimmern. In Langzeitexperimenten führte die induzierte Transgen-Überexpression zu einer gesteigerten Sterblichkeit.

Auf Zellebene konnten wir die Bindung von Nos1ap an den L-Typ Calciumkanal (CaV1.2) und Nos1 bestätigen, diese Annäherung scheint die S-Nitrosylierung des Kanals zu begünstigen. CaV1.2 ist die Hauptdeterminante für die Depolarisation des kardialen Aktionspotentials während der Plateau Phase und beeinflusst so das QT-Intervall. Mittels elektrophysiologischer Patch-Clamp-Messungen konnte eine verkürzte Dauer des Aktionspotentials nach 90 % der Repolarisation (APD90) in isolierten Kardiomyozyten von Tieren mit Nos1ap-Überexpression festgestellt werden.
NOS1AP wirkt demnach durch Modulation eines Ionenkanals auf die Elektrophysiologie des Herzens.

Publikation
Jänsch M, Lubomirov LT, Trum M, Williams T, Schmitt J, Schuh K, Qadri F, Maier LS, Bader M, Ritter O. Inducible over-expression of cardiac Nos1ap causes short QT syndrome in transgenic mice. FEBS Open Bio. 2022 Nov 9. doi: 10.1002/2211-5463.13520. Epub ahead of print. PMID: 36352324.

Das Kallikrein-Kinin System (KKS) ist der Hauptantagonist des Renin-Angiotensin Systems und reguliert eine Vielzahl von physiologisch hoch-relevanten Prozessen im Herz-Kreislausystem. Die biologischen Funktionen des KKS werden überwiegend von den Bradykinin Rezeptoren B1R und B2R vermittelt und diese steuern in Arterien die Vasodilatation, Inflammation und vaskuläres Remodelling insbesondere durch die Modulation von Endothelzellen und zirkulierenden Leukozyten (PBMCs).

Wir zeigten als erstes, dass die Bradykinin Rezeptoren die Arteriogenese maßgeblich steuern und somit einen bedeutenden Beitrag leisten für die Prävention von Herzinfarkt, Schlaganfall und peripherer arterieller Verschlusskrankheit (PAVK). Arteriogenese ist der wichtigste endogene, protektive Mechanismus zur Wiederherstellung einer stabilen Blutperfusion bei einer arteriellen Stenose und beschreibt das Auswachsen von kollateralen Umgehungskreisläufen (Arteriolen) zu großen Konduktanzarterien (biologischer Bypass). Während dieses vaskulären Remodellings steuern die Bradykinin Rezeptoren die Proliferation von Endothelzellen und Transmigration von Monozyten in Arterien. Der Verlust der Funktion von Bradykinin Rezeptoren führt zu einem totalen Ausfall der Arteriogenese, was im Falle einer arteriellen Stenose zu Ischämien, Nekrose und einem Untergang des Gewebes distal der Okklusion führt.

Kollaterales Arterienwachstum hat daher große klinische Bedeutung und Arteriogenese kann über die Signalwirkung von Bradykinin Rezeptoren therapeutisch moduliert werden. Wir zeigten, dass Bradykinin Rezeptor Agonisten die Arteriogenese verstärken und Bradykinin Rezeptor Antagonisten die Arteriogenese inhibieren. Wichtige klinische Medikamentengruppen wie Angiotensin Converting Enzyme Inhibitoren (ACEi) und Angiotensin-Rezeptor-Neprilysin-Inhibitor (ARNI) zeigen ebenfalls eine direkte und indirekte Aktivierung der Bradykinin Rezeptoren und werden daher im Kontext der Arteriogenese genauer untersucht. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist das Verständnis der pharmakologischen und molekularen Prozesse der Bradykinin Rezeptor Signalwirkung und der Arteriogenese. Klinisch und präklinisch Untersuchungen sollen hier neue therapeutische Strategie zur Prävention von kardiovaskulären Verschlusskrankheiten liefern.

Publikationen

Li K, von Hertel V, Dai M, Gatzke N, Rocic P, Bramlage P, Lubomirov L, Hoffmeister M, Lauxmann M, Ritter O, Buschmann E, Bader M, Bondke Persson A, Buschmann I, Hillmeister P. Angiotensin receptor-neprilysin inhibitor improves coronary collateral perfusion. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 2023 Feb.

Hillmeister P, Nagorka S, Gatzke N, Dülsner A, Li K, Dai M, Bondke Persson A, Lauxmann MA, Jaurigue J, Ritter O, Bramlage P, Buschmann E, Buschmann I. Angiotensin-converting enzyme inhibitors stimulate cerebral arteriogenesis. [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov] Acta Physiol (Oxf). 2022 Feb;234(2):e13732.

Hillmeister P, Gatzke N, Dülsner A, Bader M, Schadock I, Hoefer I, Hamann I, Infante-Duarte C, Jung G, Troidl K, Urban D, Stawowy P, Frentsch M, Li M, Nagorka S, Wang H, Shi Y, le Noble F, Buschmann I. Arteriogenesis is modulated by bradykinin receptor signaling. [ncbi.nlm.nih.gov] Circ Res. 2011 Aug 19;109(5):524-33.

Dr. G. Pryymachuk, PD Dr. L.T. Lubomirov, Prof. Dr. A. Winkelmann, Prof. Dr. O. Grisk
Institut für Physiologie, Institut für Anatomie

Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind häufig mit einer eingeschränkten Nierenfunktion assoziiert. Der Tonus renaler präglomerulärer Gefäße reguliert die glomeruläre Filtration. Die Tonusregulation erfolgt über Interaktionen des Myosins mit Aktinfilamenten reguliert über die reversible Phosphorylierung der leichten Kette des Myosins. In Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass Prozesse wie Alterung und intrauterine Wachstumsretardierung einen dysfunktionellen Phänotyp präglomerulärer renaler Widerstandsarterien verursachen. Zu den unterliegenden Mechanismen gehört eine verstärkte Aktivierung des RhoA/Rho-Kinase-Signalwegs wie z.B. die Phosphorylierung der Myosin-Leichte-Ketten-Phosphatase und eine Steigerung der Aktinpolymerisation.

Unser Projekt ist auf die Aktivierung der Rho-Kinase-, cAMP- und cGMP-Signalwege fokussiert. Wir nutzen für die funktionelle und molekularbiologische Charakterisierung der Gefäßfunktion Material humaner Resektate sowie Gewebe von genetisch modifizierten Mäusen mit Veränderungen von Signaltransduktionswegen der Gefäßmuskulatur. Wir interessieren uns dabei im Kontext der Gefäßalterung für wichtige Proteine, die an der Tonusregulation beteiligt sind oder sein können wie Asprosin, Caldesmon, Transgelin-2.

Publikationen
Mahlke C, Kühn JP, Mensel B, Schreiber A, Juretzko A, Steinbach A, Grisk O. Iloprost, Prostaglandin E1, and Papaverine Relax Human Mesenteric Arteries With Similar Potency. Shock. 2017 Sep;48(3):333-339. doi: 10.1097/SHK.0000000000000866.

Voggel J, Lubomirov L, Lechner F, Fink G, Nüsken E, Wohlfarth M, Pfitzer G, Shah-Hosseini K, Hellmich M, Alejandre Alcázar MA, Dötsch J, Nüsken KD. Vascular tone regulation in renal interlobar arteries of male rats is dysfunctional after intrauterine growth restriction. Am J Physiol Renal Physiol. 2021 Jul 1;321(1):F93-F105. doi: 10.1152/ajprenal.00653.2020.

Lubomirov LT, Jänsch MH, Papadopoulos S, Schroeter MM, Metzler D, Bust M, Hescheler J, Grisk O, Ritter O, Pfitzer G. Senescent murine femoral arteries undergo vascular remodelling associated with accelerated stress-induced contractility and reactivity to nitric oxide. Basic Clin Pharmacol Toxicol. 2022 Jan;130(1):70-83. doi: 10.1111/bcpt.13675.

Lubomir T. LUBOMIROV, René MANTKE, Thomas ENZMANN, Doris METZLER, Tatiana KOROTKOVA, Jürgen HESCHELER, Gabriele PFITZER and Olaf GRISK. ROK- and RSK2-kinase pathways differ between senescent human renal and mesenteric arteries, J Hypertens 2023 Jul; 41(7):1201-1214. doi: 10.1097/HJH.0000000000003450

Dr. G. Pryymachuk, PD Dr. Yury Ladilov, PD Dr. L.T. Lubomirov, Prof. Dr. O. Grisk, Prof. Dr. A. Winkelmann
Institut für Anatomie, Institut für Physiologie, Immanuel Klinikum Bernau, Herzzentrum Brandenburg

Asprosin, ein Spaltprodukt des Proteins Profibrillin-1, wirkt laut bisherigen Studien als Hormon, welches in der Blutbahn in nanomolaren Konzentrationen zirkuliert, eine G-Protein-gekoppelte Aktivierung des cAMP-PKA-Signalwegs in der Leber auslöst und eine schnelle Glukosefreisetzung in den Blutkreislauf anregt. Obwohl Asprosin sich von Profibrillin-1, einem bekannten Glykoprotein mit Verteilung im gesamten Bindegewebe, ableitet, ist wenig über die Gewebeverteilung von Asprosin bekannt. Nach aktueller Ansicht der Forschung wird Asprosin hauptsächlich im weißen Fettgewebe produziert und von dort als Monomer ins Blut abgegeben.

Mittels neu entwickelter spezifischer Asprosin-Antikörper wurde das Verteilungsmuster von Asprosin im menschlichen und Maus-Gewebe wie Plazenta und Muskel in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Prof. Dr. G. Sengle (Uniklinik Köln) untersucht (Transglutaminase mediated asprosin oligomerization allows its tissue storage as fibers. preprint doi: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.04.474899v2; this version posted January 4, 2022).

Dabei wurde das Vorhandensein von Asprosin-positiven extrazellulären Fasern nachgewiesen. Außerdem fanden wir heraus, dass die meisten Zellen aus Skelett-Muskelgewebe Asprosin in Oligomere umwandeln können. Diese Daten belegen einen neuen extrazellulären Speichermechanismus von Asprosin, der die zelluläre Bioverfügbarkeit in Geweben regulieren könnte.

Die neuesten Untersuchungen berichten von der Beteiligung vom Fibrillin in Kardiovaskulären Erkrankungen. Da Asprosin erstmals 2016 beschrieben wurde, gibt es bisher wenige Studien, die auf die Beteiligung von Aprosin bei Herzerkrankungen (z.B. Koronare Herzkrankheit und Dilatative Kardiomyopathie) hinweisen.

Daher untersuchen wir aktuell Asprosin in Herz-, Nieren- und Blutproben vom Mensch und Maus mittels morphologischer und molekularbiologischer Methoden.

Ein Schwerpunkt des Projekts ist die Untersuchung möglicher geschlechts- und altersbedingter Unterschiede bei Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen und kardiorenalem Syndrom. Diese Arbeiten laufen aktuell in Kooperation mit der Uniklinik Köln und dem Immanuel Klinikum Bernau, Herzzentrum Brandenburg.