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Die Forschungsaktivitäten des Instituts konzentrieren sich auf Ursachen, molekulare Mechanismen und pharmakologische Behandlungsmöglichkeiten von Herzkreislauf-erkrankungen. Dabei liegt der Schwerpunkt des Arbeitsbereichs Experimentelle Pharmakologie auf der chronischen Herzinsuffizienz, der Schwerpunkt des Arbeitsbereichs Klinischen Pharmakologie auf der Endotheldysfunktion/Arteriosklerose. Der Arbeitsbereich Toxikologie konzentriert sich auf die Bedeutung von Schwermetallbelastungen im Boden und auf die Regulation von Zellwachstum, Differenzierung und Apoptose.
Research at the Institute of Pharmacology concentrates on causes, molecular mechanisms and pharmacological treatment of cardiovascular diseases. Whereas the Experimental Pharmacology unit focuses on heart failure and pharmacogenetics, the Clinical Pharmacology unit focuses on endothelial dysfunction and arteriosclerosis. The unit of Toxicology investigates the relevance of heavy metal contamination of soil and on signal transduction of cell growth, differentiation and apoptosis.
Die heterotrimeren „großen“ G Proteine vermitteln die Signaltransduktion zwischen zellmembranständigen Rezeptoren, wie β-Adrenozeptoren, und intrazellulären Effektormolekülen, wie der Adenylylcyclase. In früheren Studien unserer Arbeitsgruppe wurde nachgewiesen, dass das wichtigste inhibitorische G Protein Gαi-2 in terminal insuffizienten menschlichen Herzen vermehrt exprimiert ist, dass dies die Folge der chronischen β-adrenergen Stimulation bei Herzinsuffizienz darstellt und mit großer Wahrscheinlichkeit über eine Stimulation der Gentranskriptionsrate (run-on-Assays) vermittelt wird. Unsere Befunde weisen darauf hin, dass die Hochregulation von Gαi-2 einerseits einen Schutz gegen β-adrenerg-induzierte Arrhythmien ist, weil umgekehrt die Reduktion von Gαi-2 im Rattenherzen zu einer deutlichen Zunahme von Arrhythmien führt. Auf der anderen Seite haben wir erstmalig mit Hilfe von Gαi-2-kodierenden Adenoviren gezeigt, dass selbst mäßige Überexpression von Gαi-2 (2-fach, vergleichbar dem Befund bei der menschlichen Herzinsuffizienz) zu einer signifikanten Hemmung der β-adrenergen Adenylylcyclase-Stimulation, starke Überexpression (5-fach) zu einer fast vollständigen Suppression der Adenylycyclase führt. Dies ging mit einer ebenfalls fast vollständigen Aufhebung des kraftsteigernden Effekts von β-adrenergen Agonisten an isolierten adulten Kardiomyozyten (Kooperation mit Dr. S. Harding, London) und an intakten Trabekelmuskel von Kaninchen einher (Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. G. Hasenfuss, Göttingen). Die Arbeitsgruppe von Dr. E. Marban, Baltimore, hat mit unserem Ad5Gαi-2 durch Gentransfer in die AV-Region von Schweineherzen eine deutliche Frequenzsenkung nach Induktion von Vorhofflimmern erreicht, was als erste Gentherapie von Herzrhythmusstörungen gewertet wurde. Zusammenfassend haben diese Untersuchungen also einen überraschend deutlichen Effekt einer Überexpression von Gαi-2 im Herzen ergeben und belegen, dass die Zunahme von Gαi-2 in terminal insuffizienten menschlichen Herzen tatsächlich zur Subsensitivität gegenüber Katecholaminen beiträgt. Interessanterweise haben wir früher in einer kleinen Studie an Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz zeigen können, dass es unter Betablockern zu einer Normalisierung des kardialen Gαi-2 (Biopsien) kommt. Dies spricht dafür, dass eine Normalisierung der Gi Proteine zu der Erholung der kontraktilen Ansprechbarkeit unter Betablockern beitragen könnte.
Heterotrimeric G Proteins mediate signal transduction between sarcolemmal receptors, such as β-adrenoceptors, and intracellular effectors such as adenylyl cyclase. We have shown in early work that the expression of Gαi-2 is increased in failing human hearts, that it is the consequence of increased sympathetic nervous stimulation and that it is mediated by activation of gene transcription (run-on-assays). Functionally, our data suggest that the increase in Gαi-2 has two major consequences. On the one hand, it protects the heart against β-adrenergic arrhythmia (as its inactivation promotes arrhythmia). On the other hand, we could show for the first time by adenovirus-mediated overexpression of Gαi-2 that even modest overexpression of Gαi-2 (2-fold, same magnitude as in human heart failure) led to a significant suppression of the β-adrenergic stimulation of adenylyl cyclase and that marked overexpression (5-fold) alnmost completely suppressed adenylyl cyclase stimulation. In accordance, overexpression of G αi-2 markedly reduced the inotropic response of β-adrenergic agonists in isolated adult cardiac myocytes (cooperation with Dr. S. Harding, London) and in intakt rabitt trabeculae (cooperation with the group of Prof. Dr. G. Hasenfuss, Göttingen). The group of Dr. E. Marban, Baltimore, has used our Gαi-2 virus to demonstrate that gene transfer into the AV-region of pig hearts led to a significant reduction in ventricular beating rate after induction of atrial fibrillation. Taken together, the data demonstrate a surprisingly marked effect of Gαi-2 overexpression in the heart and provide strong evidence that the increase in Gαi-2 in terminally failing human hearts contribute to the subsensitivity to catecholamines. Interestingly, we had shown earlier in a small clinical study on patients with heart failure that the amount of Gαi-2 decreases under betablockers. This suggests that normalisation of G protein signaling could participate in the improvement of contractile reserve under betablockers.
Während die Rolle von cAMP für die Regulation der kardialen Kontraktionskraft und des Calciumstroms seit vielen Jahren relativ gut verstanden ist, besteht nach wie vor Unsicherheit über die mögliche modulatorische Rolle von cGMP und NO als Quelle von cGMP. In einer langjährigen Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von R. Fischmeister, Chatenay-Malabry, Frankreich, haben wir im Gegensatz zu vielen Literaturarbeiten ausschließlich Befunde erhoben, die gegen eine relevante Bedeutung des NOS3 (eNOS)-cGMP-Systems in der β-adrenergen und muskarinergen postsynaptischen Regulation der Kraft, der Frequenz und des Calciumstroms des gesunden erwachsenen Herzen (Mensch, Maus) sprechen.
Whereas the role of cAMP in the regulation of cardiac function is well established, controversy exists with regard to a potential modulatory role of NO-cGMP. In a long-lasting collaboration with the group of R. Fischmeister in Chatenay-Malabry (France) we exclusively generated data that argue against a relevant role of NOS3 (eNOS)-cGMP in the postsynaptic β-adrenergic or muscarinic regulation of cardiac contractility, rate or calcium currents.
Zellkultur von Herzmuskelzellen neugeborener Ratten oder Mäuse sind in der Herzkreislaufforschung weit verbreitet. Während diese Kulturen zwar einfache biochemische und molekulare Messungen erlauben, sind sie zur Beurteilung der wesentlichen Herzmuskelzellfunktion, der Kontraktilität, nicht oder nur sehr eingeschränkt verwendbar. Um ein Modell zu schaffen, das beides erlaubt, wurde eine ursprünglich in der Arbeitsgruppe von Elliot Elson, St. Louis, USA, entwickelte Methode, Fibroblasten in 3-dimensionalen Collagen I-basierten Matten zu kultivieren, an Herzmuskelzellen angepasst und seit 1994 fortentwickelt. Initial wurden bikonkave Matten mit embryonalen Hühnchenkardiomyozyten hergestellt, die über Klettband-beklebte Silikonschläuche aufgehängt werden und die Messung isometrischer Kräfte erlauben. Später wurde das Modell auf Herzmuskelzellen neugeborener Ratten und inzwischen auch Mäuse erweitert. Durch Umstellung auf eine Ringform ist die Methode jetzt deutlich einfacher geworden und erlaubt eine zukünftige Miniaturisierung. Mit dem jetzt Engineered Heart Tissue (EHT) genannten Modell können die Auswirkungen mechanischer, pharmakologischer und genetischer Manipulationen auf die Kraft über längere Zeiten verfolgt werden. Im Zuge der Fortschritte der Stammzellbiologie hat sich in den letzten Jahren eine realistische Perspektive entwickelt, EHTs als kardialen Gewebeersatz bzw. als Gewebeflicken zur Korrektur von Herzfehlern zu verwenden. Diesen wachsenden Arbeitsbereich verfolgt Wolfram Zimmermann mit seiner Arbeitsgruppe.
Cell cultures of cardiac myocytes from embryonic chicken, neonatal rats and mice are important experimental models in molecular cardiology. Whereas these cultures allow for simple biochemical and molecular biology tests they are not well suited for evaluation of the most important function of cardiac muscle function, namely contractile force. To generate a model that allows both molecular and functional evaluations we developed in 1994 a 3-dimensional culture format for cardiac myocytes that based on a method originally developed for fibroblasts by the group of Elliot L. Elson, St. Louis, USA. Initially, embryonic cardiac myocytes were cultured as biconcave lattices that spanned between two Velcro-coated silicone tubes. Later we developed a ring form and adapted the model to neonatal rat cardiac myocytes. The ring form has several advantages: It is much simpler, exposes the cardiac myocytes to a continuous and even mechanical load which leads to better tissue development and can be easily produced in large series. The resulting engineered heart tissues (EHT) can be used to determine the impact of prolonged (up to 4 weeks) pharmacological, toxic, genetic and mechanical manipulation on force of contraction and tissue development. With the new exciting developments in stem cell research a new perspective has become realistic: To use EHT for cardiac repair. This rapidly evolving concept is being pursued by Wolfram Zimmermann and his group.
Die Pharmakogenetik ist ein relativ neues Feld mit wahrscheinlich großer Bedeutung für die Arzneitherapie. Eines der am längsten bekannten und am besten charakterisierten Beispiele für den Einfluß von genetischen Variationen auf die Arzneitherapie ist der Genpolymorphismus im Cytochrom P450 2D6 Gen, der zu dem sogenannten Spartein- oder Debrisoquin-Poor Metabolizer Status führt. Etwa 7% der kaukasischen Bevölkerung haben Veränderungen der CYP2D6 Gensequenz, die zu einer völligen Inaktivität des Enzyms führen. Obwohl in Phase I klinischen Studien gezeigt wurde, dass dies zu 3-5-fach höheren Plasmaspiegeln wichtiger Arzneimittel führt, ist die praktische klinische Bedeutung weitgehend unklar. Entsprechend spielt die Frage nach dem CYP2D6 Status in der ärztlichen Praxis bis heute keine Rolle. Am Beispiel des in Deutschland am häufigsten verordneten Betablockers Metoprolol versucht die Arbeitsgruppe (Dr. T. Rau, H. Wuttke [BMBF], Prof. Dr. T. Eschenhagen), hier einen Beitrag zu leisten. Konkret untersuchen wir in drei klinischen Studien folgende Fragen. Erstens, sind Metoprolol-Plasmaspiegel auch bei Patienten in der Dauertherapie abhängig vom CYP2D6 Genotyp? Zweitens, sind CYP2D6 Poor Metabolizer in einem Kollektiv von Patienten überrepräsentiert, die auf Metoprolol überschießend reagiert haben? Drittens, reagieren Poor Metabolizer mit häufigeren und schwereren Nebenwirkungen auf die Therapieeinleitung mit Metoprolol als die Extensive Metabolizer (prospektiv, randomisiert, verblindet)? Zwei der Studien sind abgeschlossen und zeigen folgende Hauptergebnisse. (1) Poor Metabolizer haben auch in der Dauertherapie etwa 5-fach höhere Metoprolol-Plasmaspiegel als Extensive Metabolizer. (2) Poor Metabolizer sind in dem Kollektiv von Patienten mit Überreaktionen etwa 5-fach (4,3-4,6-fach) überrepräsentiert. Diese Daten belegen erstmalig die Bedeutung des CYP2D6 Genpolymorphismus für die Dauertherapie mit Metoprolol. und zeigen, dass der PM-Genotyp mit einer erhöhten Frequenz von Nebenwirkungen unter der Therapie mit Metoprolol assoziiert ist. Ein ganz ähnlicher Zusammenhang konnte für Antidepressiva wahrscheinlich gemacht werden.
Pharmacogenetics is a relatively new field that may have important impact on drug therapy. One of the best characterized examples for genetic influences on drug therapy is the Cytochrom P450 2D6 gene polymorphism that is associated with the sparteine- or debrisoquine-poor metabolizer state. Approximately 7% of the Caucasian population have variants of their CYP2D6 gene that lead to a complete loss of CYP2D6 enzyme activity. Even though phase I clinical studies showed 3-5-fold higher plasma levels of many important drugs that are substrates of CYP2D6, the clinical consequence of these findings is largely unknown and, consequently, the CYP2D6 state does not play a role in clinical practice. In this situation, our group (Dr. T. Rau, H. Wuttke [BMBF], Prof. Dr. T. Eschenhagen) intends to provide evidence for or against the clinical relevance of the CYP2D6 genotype for drug safety and efficiency of the most widely prescribed betablocker in Germany, metoprolol, a known CYP2D6 substrate. We study three questions. (1) Do metoprolol-plasma levels depend on the CYP2D6 genotype also under chronic therapy? (2) Are CYP2D6 poor metabolizers overrepresented in a group of patients overreacting to metoprolol? (3) What is the impact of the various CYP2D6 genotypes on the tolerability and the effect of metoprolol in the first 3 months after initiation of treatment (prospective, randomised, blinded)? Two studies have been completed and show the following main results. (1) Even after a mean of 13 months of treatment, poor metabolizers have approximately 5-fold higher metoprolol plasma levels than extensive metabolizers. (2) Poor metabolizers are approximately 5-fold overrepresented in a group of patients that showed unexpected severe side effects upon initiation of metoprolol treatment. These data suggest that the CYP2D6 genotype markedly affects metoprolol metabolism on the long term and the likelihood of side effects. A similar effect could be shown in patients treated with antidepressants.
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