Pulmonale Hypertonie und kardiopulmonale Interaktionen

Achtung: gleicher Text wie hier herzzentrum.uk-koeln.de/de/kardiologie/forschung/cluster-growth-factors-and-tyrosine-kinase-signaling

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind nach wie vor die Haupttodesursache weltweit. Ursächlich für diese sind häufig Gefäßverengungen (Stenosen), die durch pathogene Veränderungen in der Gefäßwand hervorgerufen werden. So genannte vaskuläre Remodeling Prozesse spielen dabei eine entscheidende Rolle. Durch Zellproliferation und –migration kommt es zu einer Akkumulation glatter Gefäßmuskelzellen im Gefäßlumen, welches dadurch kleiner wird. Die Folgen können eine Minderversorgung betroffener Organe mit Sauerstoff (Ischämie) und anschließendem Infarkt oder im Falle der pulmonal arteriellen Hypertonie eine erhöhte Nachlast und letztendlich Rechtsherzversagen sein. Innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes werden zelluläre Mechanismen untersucht, die zu vaskulären Umbauprozessen führen. Im Fokus stehen dabei vor allem glatte Gefäßmuskelzellen aber auch Leukozyten und Endothelzellen. Grundlagenwissenschaftliche Untersuchungen weisen darauf hin, dass relevante zelluläre Signaltransduktionswege insbesondere durch Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) aktiviert werden.

RTKs werden nach Bindung von Wachstumsfaktoren wie PDGF aktiviert und autophosphoryliert. Spezifische phosphorylierte Tyrosinreste im Rezeptorpolypeptid dienen als Bindestelle für intrazelluläre Signalproteine wie Src-Kinasen, Phosphatidylinositol 3´-Kinase (PI 3-Kinase), GTPase aktivierendes Protein von Ras (RasGAP) und Phospholipase C-γ-Bindung und Aktivierung dieser Proteine setzten downstream gelegene Signalübertragungswege in Gang, die zur Zellproliferation, -migration und –überleben führen. Anhand von PDGF ß-Rezeptor-Mutanten, in denen spezifische Bindestellen mutiert wurden, konnten wir in vitro zeigen, dass neben der Phospholipase C-γ vor allem die PI 3-Kinase entscheidend ist. Aktuelle Untersuchungen beschäftigen sich daher schwerpunktmäßig mit der Bedeutung PI 3-Kinase vermittelter Signale im Rahmen des vaskulären Remodelings. Dazu wurde in verschiedenen Tiermodellen entweder die PDGF ß-Rezeptor abhängige Aktivierung der PI 3-Kinase durch Mutation des Rezeptors unterbunden oder verschiedene PI 3-Kinase Isoformen deletiert.

Im Einzelnen werden folgende Projekte bearbeitet:

Charakterisierung der spezifischen Funktion von PI 3-Kinase Klasse IA-Isoformen für Wachstumsfaktor-vermitteltes vaskuläres Remodeling

Die Koronare Herzkrankheit (KHK) ist die häufigste Form von Herzerkrankungen in westlichen Industrienationen. Bei der KHK kommt es zu einer Verengung bzw. Blockierung der Koronararterien, also derjenigen Gefäße, die das Herz mit Blut versorgen. Diese Verengungen, auch Stenosen genannt, werden zumeist durch atheromatöse Plaques hervorgerufen. Die Folge ist eine Minderversorgung des Herzens mit Sauerstoff, was im Extremfall zum Myokardinfarkt führen kann. Um dem vorzubeugen, können verengte Gefäße mit Hilfe eines Ballons aufgedehnt werden. Jedoch tritt in vielen Fällen nach einer so genannten Ballonangioplastie erneut eine Gefäßverengung auf, ein Phänomen, welches als Restenose bezeichnet wird. Stenosen wie Restenosen liegen vaskuläre Remodeling Prozesse zu Grunde, also Umbauprozesse innerhalb der Gefäßwand, die zu einer deutlichen Verengung des Gefäßes führen. Entscheidend für diesen Prozess – vor allem im Zuge der Restenose-Entstehung – ist die verstärkte Zellteilung und -wanderung von glatten Gefäßmuskelzellen. Zellteilung und -wanderung werden von kleinen im Blut zirkulierenden Eiweißmolekülen, welche als Wachstumsfaktoren bezeichnet werden, kontrolliert. Wachstumsfaktoren wie beispielsweise PDGF binden an spezifische Proteine an der Zellaußenseite, so genannte Rezeptortyrosinkinasen, die dieses Signal in das Zellinnere weiterleiten.

Während der letzten Jahre gelang es uns anhand des PDGF Rezeptors, entscheidende Signalproteine zu identifizieren, die in isolierten menschlichen Zellen sowie in Mäusen die Wachstumsfaktor induzierte Zellteilung und -wanderung vermitteln und somit zum vaskulären Remodeling beitragen. Es stellte sich heraus, dass vor allem die Aktivierung des Signalproteins PI 3-Kinase entscheidend für Zellteilung und -wanderung ist. Daher konzentriert sich unsere aktuelle Forschung auf die Funktion einzelner Subtypen der PI 3-Kinase im Rahmen des vaskulären Remodelings. Die PI 3-Kinase katalysiert die Synthese des Phosphoinositids (PI) PI(3,4,5)P3, das als Membranbindemodul für eine ganze Reihe von nachgeschalteter Effektorproteinen dient. Klasse I PI3K bestehen aus einer regulatorischen und einer katalytischen Untereinheit. RTKs vermitteln ihre Signale über Klasse IA PI3K Isoformen. Sie bestehen als Heterodimere aus einer katalytischen (p110) und einer regulatorischen Untereinheit (p85). Mit Hilfe von transgenen Mäusen soll nun die Bedeutung dieser Signalproteine für die Restenoseentstehung untersucht werden. Dazu werden Ballonangioplastien mit Hilfe von Mikro-Ballonkathetern in den transgenen sowie in normalen Mäusen durchgeführt und das Ausmaß der Restenose bestimmt.

Trotz der Entwicklung verschiedener pharmakologischer Hemmstoffe sind die durch vaskuläres Remodeling hervorgerufenen Gefäßverengungen wie die Restenose nach wie vor ein großes Problem in der interventionellen Kardiologie. Die Identifizierung beteiligter Proteine und neuartiger Hemmstoffe ist daher nicht nur grundlagenwissenschaftlich relevant, sondern dient ebenso der Entwicklung neuer Therapieoptionen. Vor diesem Hintergrund ist die Untersuchung von PI 3-Kinase Subtypen besonders interessant, da in den letzten Jahren im Zuge der Krebsforschung neuartige subtypspezifische Inhibitoren entwickelt wurden. Zukünftig soll daher basierend auf den Ergebnissen unserer genetischen Mausmodelle entsprechende Hemmstoffe mit Hilfe Inhibitor-beschichteter Ballonkatheter auf eine mögliche Therapietauglichkeit hin getestet werden.

Bedeutung der leukozytären PI 3-Kinase Isoform p110δ für die Atherosklerose-Entstehung

Atherosklerose ist eine chronisch entzündliche Erkrankung arterieller Gefäße, welche kardiovaskuläre Folgeerkrankungen wie Myokardinfarkt und Schlaganfall auslöst. Während der Atherogenese wird durch endotheliale Dysfunktion und Aufnahme von Lipoproteinen eine chronische Infiltration der inneren Arterienwandschicht (Intima) sowie der darunterliegenden Media mit Makrophagen, dendritischen Zellen und T-Lymphozyten induziert. In der Folge kommt es zur Bildung atherosklerotischer Plaques, die durch einen Kern aus lipidbeladenen Makrophagen (Schaumzellen), einer leukozytenreichen Interphase und einer stabilisierenden Kappe aus glatten Gefäßmuskelzellen und Kollagenfasern charakterisiert sind. Dabei spielen Zellpopulationen des angeborenen und adaptiven Immunsystems nicht nur zentrale proinflammatorische, sondern auch regulatorische Rollen in unterschiedlichen Stadien dieser komplexen Erkrankung. Leukozyten exprimieren von den 3 Klasse IA Phosphoinositol 3-Kinasen Isoformen besonders stark p110δ, welche eine Schlüsselfunktion in der Regulation von Immunreaktionen besitzt. Daher stellt p110δ ein potenzielles Zielmolekül zur Modulation der Atherogenese dar. Ziel der gegenwärtigen Arbeiten ist es, die Bedeutung der leukozytären p110δ für die Orchestrierung der Atherogenese in vitro und in Maus-Modellen zu untersuchen, um neue Therapiestrategien bei Atherosklerose zu ermöglichen.

Bedeutung PDGF-vermittelter Signaltransduktionswege für die Apoptoseregulation in atherosklerotischen Plaques

Fortgeschrittene atherosklerotische Plaques sind morphologisch gekennzeichnet durch eine im wesentlichen aus glatten Gefäßmuskelzellen bestehenden fibrösen Kappe und einem darunter liegenden nekrotischen Kern. Ruptur der fibrösen Kappe kann zur Thrombusbildung und dadurch zu Myokardinfarkt oder Schlaganfall führen. Apoptose von glatten Gefäßmuskelzellen destabilisiert atherosklerotischer Plaques, indem sie zu einer Ausdünnung der fibrotischen Kappe führt. Wir konnten anhand von PDGF ß-Rezeptor-Mutanten zeigen, dass die PDGF-abhängige Aktivierung der PI 3-Kinase der Apoptose glatter Gefäßmuskelzellen entgegen wirkt. Downstream von PI 3-Kinase wird dabei die Serin/Threonin-Kinase Akt aktiviert, welche pro-apoptotische Proteine wie beispielsweise BAD phosphoryliert und dadurch inaktiviert. Weitere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dieser Schutz vor Apoptose nur temporär ist und eine chronische Stimulation von glatten Gefäßmuskelzellen mit PDGF-BB die Entstehung von Apoptose sogar begünstigt. Ziel dieses Projektes ist es, die verantwortlichen Signaltransduktionswege zu enschlüsseln und deren Relevanz in atherosklerotischen Plaques zu überprüfen. Die Ergebnisse sollen neue Strategien ermöglichen, die zur Stabilisierung atherosklerotischer Plaques beitragen.

Bedeutung von Klasse IA PI 3-Kinase Isoformen für die Pathogenese der pulmonalen Hypertonie

Die pulmonal arterielle Hypertonie (PAH) ist eine seltene, jedoch schwerwiegende Erkrankung, welche durch morphologische Veränderungen in der Gefäßwand kleiner Lungenarteriolen charakterisiert ist. Die der Erkrankung zugrunde liegende Pathogenese ist multifaktoriell und bisher nur unvollständig verstanden. Zu den pathologischen Mechanismen gehören unter anderem eine Hyperkontraktilität, sowie Hyperproliferation, Migration und Apoptoseresistenz glatter Gefäßmuskelzellen. Diese Prozesse werden von verschiedenen peptidischen Wachstumsfaktoren wie platelet-derived growth factor (PDGF), epidermal growth factor (EGF) und basic fibroblast growth factor (bFGF) begünstigt, welche ihre Signale über Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) vermitteln. Die Arbeitsgruppe konnte am Beispiel des PDGF-Rezeptors zeigen, dass Tyrosinkinase-gesteuerte Prozesse in glatten Gefäßmuskelzellen maßgeblich über die PI 3-Kinase (PI3K) vermittelt werden. In humanen pulmonal arteriellen glatten Gefäßmuskelzellen werden alle drei p110 Untereinheiten expremiert. Die Arbeitsgruppe konnte bereits zeigen, dass im Zusammenhang mit dem vaskulären Remodelings besonders die katalytische Untereinheit p110α bedeutsam ist. Sowohl die spezifische genetische Ablation p110α im Mausmodell, als die selektive pharmakologische Ausschaltung der p110α Signaltransduktion mittels spezifischer Inhibitoren, bestätigen die Bedeutung von p110α für das vaskuläre Remodeling. Derzeitig wird in der Arbeitsgruppe das therapeutische Potential einer pharmakologischen p110α Inhibition in verschiedenen Tiermodellen einer bestehenden schweren PH untersucht. Von besonderem Interesse ist hierbei der Grad der Rückführung des Gefäßremodelings („Reverse Remodeling“) und die Auswirkungen auf die Hämodynamik in der pulmonalen Strombahnn (als Maß für die Druckbelastung in der Lunge wird der rechtsventrikuläre systolische Druck herangezogen) und das rechte Herz

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