Gruppe diskutiert
Forschung rund ums Herz -
von molekularen Mechanismen zur Therapie
  • ag-carrier_group_1115
    AG Carrier
    Nov. 2015

    AG Carrier

    Genetik, Pathophysiologie und Therapie der hypertrophen Kardiomyopathie

    Arbeitsgruppenleiterin

    Prof. Dr. Lucie Carrier 57208 l.carrier@uke.de

    Wissenschaftliche Mitarbeiter

    Dr. Giulia Mearini 53180 g.mearini@uke.de

    Dr. Felix Friedrich 53180 f.friedrich@uke.de

    Dr. Saskia Schlossarek 54707 s.schlossarek@uke.de

    Dr. Frederik Flenner 58597 f.flenner@uke.de

    Dr. Verena Behrens-Gawlik 52179 v.behrens@uke.de

    Technische Assistentinnen

    Elisabeth Krämer 58597 e.kraemer@uke.de

    Silke Reischmann 52179 s.reischmann@uke.de

    Birgit Geertz 54707 b.geertz@uke.de

    Naturwissenschaftliche Doktoranden

    Sonia Singh 58597 s.singh@uke.de

    Maksymilian Prondzynski 58597 m.prondzynski@uke.de

    Antonia Zech 59770 a.zech@uke.de

    Medizinische Doktoranden

    Nico Kresin 57291 Nico.Kresin@stud.uke.uni-hamburg.de

    Marc Philip von See 59770 Marc-Philip.von-See@stud.uke.uni-hamburg.de

  • AG Friedrich - Kardiale Calciumhomöostase und Kontraktilität

    Arbeitsgruppenleiter

    Dr. Felix Friedrich 53180 f.friedrich@uke.de

    Technische Assistentin

    Silke Reischmann 52179 s.reischmann@uke.de

    Medizinischer Doktorand

    Nico Kresin 57291 Nico.Kresin@stud.uke.uni-hamburg.de

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    Wissenschaftliche Aktivitäten

    Dr. Felix Friedrich ist Facharzt für Klinische Pharmakologie und Facharzt für Experimentelle Pharmakologie und Toxikologie. Seit 2006 unterrichtet er Medizinstudenten sowie Studenten der Pflegeberufe und Study Nurses in Allgemeiner und Spezieller Pharmakologie. Er ist Verantwortlicher des Instituts für Experimentelle Pharmakologie und Toxikologie für die Koordination des Themenblocks III im Regelstudiengang und des Moduls B im Modellstudiengang iMed am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf. Neben Forschung und Lehre gehören auch der pharmakologische Konsildienst sowie Gutachterfragen zu seinem Aufgabengebiet. Das wissenschaftliche Augenmerk der Arbeitsgruppe liegt auf der Erforschung der genetischen Ursachen der hypertrophen Kardiomyopathie (HCM), den daraus resultierenden Pathomechanismen sowie neuen Therapieansätzen. In diesem Zusammenhang gibt es eine enge Kollaboration mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Lucie Carrier. Die hypertrophe Kardiomyopathie ist die häufigste angeborene Herzmuskelerkrankung (1:500) und wird in den meisten Fällen durch Mutationen in Genen verursacht, die für sarkomerische Proteine kodieren. Allerdings können bei einer immer noch beträchtlichen Zahl (~40%) von Patienten mit einem HCM-Phänotyp bisher keine Mutationen in den bereits etablierten HCM-Krankheitsgenen identifiziert werden. Aus diesem Grund ist die Identifizierung weiterer Krankheits-verursachender Gene für ein besseres Verständnis der HCM von hoher Relevanz. Charakteristisch für die HCM sind Hypertrophie, diastolische Dysfunktion, Verlust myokardialer Orientierung und Fibrose. Die HCM ist Hauptursache des plötzlichen Herztodes bei jungen Erwachsenen und mit einem erheblichen Risiko einer Herzinsuffizienz assoziiert. Die medikamentöse Therapie ist bislang weitgehend empirisch. Neben der Identifizierung weiterer Krankheitsgene beruht ein Forschungsschwerpunkt auch auf Evaluation möglicher Therapieansätze der HCM. Unser Therapieansatz beruht dabei auf der Hypothese, dass eine erhöhte Ca2+-Sensitivität der Myofilamente als primäre Folge der Mutationen im Zentrum der Pathophysiologie der Erkrankung steht. Ziel eines der Projekte ist die Auswirkungen von Substanzen in einem HCM-Mausmodell und Herz-Muskelproben von HCM-Patienten zu untersuchen, die entweder direkt die Ca2+-Sensitivität der Myofilamente beeinflussen oder Einfluss auf die intrazelluläre Ca2+-Homöostase nehmen. Zielparameter sind die echokardiographisch gemessene Herzfunktion, die Herzmorphologie und molekulare Parameter sowie die Ca2+-Sensitivität der ventrikulären Trabekel und die kontraktile Funktion isolierter Myozyten. Bei den vorgestellten Projekten profitiert die Gruppe von der Expertise des Institutes für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie im Bereich der Herz-Kreislauf-Forschung.

    Laufende Projekte (s. AG Carrier Hypertrophe Kardiomyopathie ):

    1. Screening auf bisher unbekannte Gen-Mutationen in Patienten mit HCM und anschließende Charakterisierung dieser Mutanten durch virale Überexpression in Maus-Herzmuskelzellen und künstlichem Herzgewebe (engineered heart tissue, EHT) in Zusammenarbeit mit UKE-HEXT-AAV und O. Müller, Kardiologie, Heidelberg. 2. Evaluation möglicher Therapieansätze der HCM am Mausmodell, auf Maustrabekel- und Kardiomyozytenebene sowie im EHT-Modell. 3. Evaluierung der Rolle von Proteinen des Ubiquitin-Proteasom-Systems in HCM und bei anderen Herzerkrankungen. 4. Mitarbeit bei der Entwicklung eines klinischen und experimentellen Referenzzentrums für hypertrophe Kardiomyopathie in Nord-Deutschland.

    Bewerbungen für eine experimentelle medizinische Doktorarbeit:

    Prof. Dr. Eschenhagen, email: t.eschenhagen@uke.uni-hamburg.de

    Aktuelle Förderung:

    Deutsche Stiftung für Herzforschung

    Publikationen:

    1. Friedrich FW, Bausero P, Sun Y, Treszl A, Krämer E, Juhr D, Richard P, Wegscheider K, Schwartz K, Brito D, Arbustini E, Waldenström A, Isnard R, Komajda M, Eschenhagen T, Carrier L; EUROGENE Heart Failure Project. A new polymorphism in human calmodulin III gene promoter is a potential modifier gene for familial hypertrophic cardiomyopathy. Eur Heart J. 2009 Jul;30(13):1648-55.

    2. Friedrich FW, Wilding BR, Reischmann S, Crocini C, Lang P, Charron P, Müller OJ, McGrath MJ, Vollert I, Hansen A, Linke WA, Hengstenberg C, Bonne G, Morner S, Wichter T, Madeira H, Arbustini E, Eschenhagen T, Mitchell CA, Isnard R, Carrier L. Evidence for FHL1 as a novel disease gene for isolated hypertrophic cardiomyopathy. Hum Mol Genet. 2012 Jul 15;21(14):3237-54. doi: 10.1093/hmg/dds157.

    3. Friedrich FW, Dilanian G, Khattar P, Juhr D, Gueneau L, Charron P, Fressart V, Vilquin JT, Isnard R, Gouya L, Richard P, Hammoudi N, Komajda M, Bonne G, Eschenhagen T, Dubourg O, Villard E, Carrier L. A novel genetic variant in the transcription factor Islet-1 exerts gain of function on myocyte enhancer factor 2C promoter activity. Eur J Heart Fail. 2013 Mar;15(3):267-76. doi: 10.1093/eurjhf/hfs178.

    4. Friedrich FW, Reischmann S, Schwalm A, Unger A, Ramanujam D, Münch J, Müller OJ, Hengstenberg C, Galve E, Charron P, Linke WA, Engelhardt S, Patten M, Richard P, van der Velden J, Eschenhagen T, Isnard R, Carrier L. FHL2 expression and variants in hypertrophic cardiomyopathy. Basic Res Cardiol. 2014 Nov;109(6):451. doi: 10.1007/s00395-014-0451-8.

    5. Flenner F*, Friedrich FW*, Ungeheuer N, Christ T, Geertz B, Reischmann S, Wagner S, Stathopoulou K, Söhren K, Weinberger F, Schwedhelm E, Cuello F, Maier LS, Eschenhagen T, Carrier L. Ranolazine improves tolerance to high workload by antagonizing β-adrenergic stimulation in cardiomyocytes of a mouse model of hypertrophic cardiomyopathy. Cardiovasc Res. 2015 Nov 3. pii: cvv247.

  • herzmuskelgewebe
    Engineered Heart Tissue
    4 Streifen von künstlich hergestelltem Herzmuskelgewebe in einer Zellkulturschale

    Das Team

    ag_hirt_131115
    AG Hirt

    From left to right: Ann-Cathrin Kunze, Tessa Werner, Dr. Marc Hirt, Dr. Marita Rodriguez, Dr. Benjamin Kloth, Jutta Starbatty, Dr. Sandra Funcke

    Addtional team members: Lena Bartholdt (also Pharmacoepigenetics), Jan-Tobias Hensel (also Pharmacoepigenetics), Aljosha Muttardi

    Former members: Dr. Nils Sörensen, Dr. Jasper Boeddinghaus, Paul Demin

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    Unsere Forschung

    Cardiac hypertrophy is the most important risk factor for the development of heart failure which is the leading cause of death in industrialized nations. We aim at deciphering some of the molecular mechanisms of cardiac hypertrophy by a model of cardiac hypertrophy which we have developed over the past couple of years. It is based on engineered heart tissue (EHT), a 3-dimensional cell culture format for heart cells.

    Most fascinating is that engineered heart tissues (EHTs) beat spontaneously. In contrast to simple cell cultures of cardiomyocytes EHTs provide the opportunity to assess the essential cardiac properties frequency and force which can be analyzed automatically with technologies developed by the groups of Eschenhagen/Hansen in our institute.

    Video-optical contractility analysis of an EHT

    The idea behind our cardiac hypertrophy model is the enhancement of afterload/workload (AE = afterload enhancement) of these small tissue strips by a simple mechanical metal brace.

    Video of a control EHT compared to an afterload enhanced EHT

    And it works! The model of cardiac hypertrophy displays in vitro many aspects of cardiac hypertrophy/heart failure: Cardiomyocyte hypertrophy, fibrosis, metabolic changes towards glycolysis, characteristic changes in coding and noncoding RNAs and many more.

    Literature:

    Please find all technical details, our findings with the model, some other research we performed and cooperations in the publications below:

    1. General practitioners' adherence to chronic heart failure guidelines regarding medication: the GP-HF study. Hirt MN, Muttardi A, Helms TM, van den Bussche H, Eschenhagen T. Clin Res Cardiol. 2015 Nov 9. [Epub ahead of print]; PMID:26552905

    2. Deciphering the microRNA signature of pathological cardiac hypertrophy by engineered heart tissue- and sequencing-technology. Hirt MN, Werner T, Indenbirken D, Alawi M, Demin P, Kunze AC, Stenzig J, Starbatty J, Hansen A, Fiedler J, Thum T, Eschenhagen T. J Mol Cell Cardiol. 2015 Apr;81:1-9. doi: 10.1016/j.yjmcc.2015.01.008. [Epub ahead of print]; PMID: 25633833

    3. Functional improvement and maturation of rat and human engineered heart tissue by chronic electrical stimulation. Hirt MN, Boeddinghaus J, Mitchell A, Schaaf S, Börnchen C, Müller C, Schulz H, Hubner N, Stenzig J, Stoehr A, Neuber C, Eder A, Luther PK, Hansen A, Eschenhagen T. J Mol Cell Cardiol. 2014 Sep;74:151-61. doi: 10.1016/j.yjmcc.2014.05.009. Epub 2014 May 19.; PMID: 24852842

    4. Automated analysis of contractile force and Ca2+ transients in engineered heart tissue. Stoehr A, Neuber C, Baldauf C, Vollert I, Friedrich FW, Flenner F, Carrier L, Eder A, Schaaf S, Hirt MN, Aksehirlioglu B, Tong CW, Moretti A, Eschenhagen T, Hansen A. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2014 May;306(9):H1353-63. doi: 10.1152/ajpheart.00705.2013. Epub 2014 Feb 28.; PMID: 24585781

    5. Cardiac tissue engineering: state of the art. Hirt MN, Hansen A, Eschenhagen T. Circ Res. 2014 Jan 17;114(2):354-67. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.114.300522. Review. PMID: 24436431

    6. Contractile abnormalities and altered drug response in engineered heart tissue from Mybpc3-targeted knock-in mice. Stöhr A, Friedrich FW, Flenner F, Geertz B, Eder A, Schaaf S, Hirt MN, Uebeler J, Schlossarek S, Carrier L, Hansen A, Eschenhagen T. J Mol Cell Cardiol. 2013 Oct;63:189-98. doi: 10.1016/j.yjmcc.2013.07.011. Epub 2013 Jul 26.; PMID: 23896226

    7. Increased afterload induces pathological cardiac hypertrophy: a new in vitro model. Hirt MN, Sörensen NA, Bartholdt LM, Boeddinghaus J, Schaaf S, Eder A, Vollert I, Stöhr A, Schulze T, Witten A, Stoll M, Hansen A, Eschenhagen T. Basic Res Cardiol. 2012 Nov;107(6):307. doi: 10.1007/s00395-012-0307-z. Epub 2012 Oct 26.; PMID: 23099820

    8. Human engineered heart tissue as a versatile tool in basic research and preclinical toxicology. Schaaf S, Shibamiya A, Mewe M, Eder A, Stöhr A, Hirt MN, Rau T, Zimmermann WH, Conradi L, Eschenhagen T, Hansen A. PLoS One. 2011;6(10):e26397. doi: 10.1371/journal.pone.0026397. Epub 2011 Oct 20.; PMID: 22028871

    9. Vernakalant: a novel antiarrhythmic drug for the rapid conversion of atrial fibrillation to sinus rhythm. Hirt MN, Eschenhagen T. Dtsch Med Wochenschr. 2010 May;135(19):971-6. doi: 10.1055/s-0030-1253686. Epub 2010 May 5. Review. German.; PMID: 20446233

    10. Kidney injury molecule 1 (Kim1) is a novel ciliary molecule and interactor of polycystin 2. Kuehn EW, Hirt MN, John AK, Muehlenhardt P, Boehlke C, Pütz M, Kramer-Zucker AG, Bashkurov M, van de Weyer PS, Kotsis F, Walz G. Biochem Biophys Res Commun. 2007 Dec 28;364(4):861-6. doi: 10.1016/j.bbrc.2007.10.103. Epub 2007 Oct 26.; PMID: 18273441

  • Human CM

    Menschliche Vorhofmyoyzyte während eines Patch Clamp Experiments.
    Current

    Anstieg des Calciumstrom durch Adrenalin (Epi) in a einer hIPSC-CM

    Gegenstand der Arbeiten sind elektrophsysiologische Mechanismen, welche die elektrische Refraktärität bestimmen und Kontraktionskraft des Herzmuskels regulieren. Die Aktivitäten konzentrieren sich auf die Messung von Ionenströmen in isolierten Zellen als auch auf die Messung von Aktionspotentialen und Kraft in intakten Muskelpräparaten. Ein Schwerpunkt ist das chronische Vorhofflimmern des Menschen (AF). Wir befassen uns mit der Frage in welcher Form AF die elektrophsysiologischen Eigenschaften des menschlichen Vorhofs beeinflusst. Zum einen geht um die Gründe für die gestörte elektromechanische Kopplung im AF, zum anderen darum neue potentielle Targets für eine Anti-AF Therapie zu identifizieren. Zu diesem Zweck bestimmen wir den Effekt einer Blockade verschiedener Ionenkanälen. Ein anderes Arbeitsgebiet ist die Charakterisierung der Effekte einer Stimulation adrenerger Rezeptoren auf den Herzmuskel. Ein zweiter Schwerpunkt liegt in human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes (hIPSC-CM). Die Verfügbarkeit von hIPSC-CM eröffnet große Möglichkeiten. sowohl als therapeutische . HIPSC-CM könnten therapeutisch aber auch als pharmakologisches Modell benutzt werden. Da hPISC-CM menschlichen Ursprungs sind, sollten sie die typischen elektrophsysiologischen Eigenschaften menschlicher Hertzmuskelzellen zeigen. Offensichtlich exprimieren hIPSC-CM die wesentlichen kardialen Ionenströme, allerdings sind ist die exakte Regulation von Refraktärität und Kontraktilität nur wenig bekannt. Daher versuchen wir die elektrophsysiologischen Eigenschaften von hIPSC-CM mit denen reifer, menschlicher Herzmuskelzellen zu vergleichen.

    Kontakt

    PD Dr. med Torsten Christ

    t.christ@uke.de

  • AG Molekulare Pharmakologie

    Signalwege
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    Veränderte Signaltransduktion im Zentrum kardiovaskulärer Erkrankungen
    Gruppenbild vor Tür
    Lupe zum Vergrößern des Bildes
    AG Cuello
    Molekulare Pharmakologie

    Von links nach rechts: Mara Goetz, Dr. Sonia Donzelli, Prof. Dr. Friederike Cuello, Angelika Piasecki, cand. rer.nat. Simon Diering, Dr. Konstantina Stathopoulou, Dr. Sophie Schobesberger, Steven Schulz MSc.

    Mehr zu unseren Teammitgliedern erfahren Sie hier...

    Wissenschaftliche Interessen:

    Die Arbeitsgruppe untersucht die molekularen Grundlagen, die zur Veränderung der Signaltransduktion bei kardiovaskulären Erkrankungen beitragen. Der Fokus der Forschungsprojekte liegt in der Untersuchung krankheitsspezifischer post-translationaler Modifikationsmuster wie Dephosphorylierung, oxidative Modifikationen wie S-Glutathionylierung, Inter-und Intradisulfidbrückenbildung in Redox-Sensorproteinen und deren Auswirkungen auf die Myofilamentfunktion und die Aktivität von Proteinkinase-Signalwegen. Die Projekte beinhalten die Anwendung einer Vielzahl unterschiedlicher biochemischer, molekularbiologischer und physiologischer Techniken. Dazu gehört die Isolation, Kultur von adulten und neonatalen Kardiomyozyten, DNA-Manipulation, Histologie, Immunofluoreszenz, Konfokale Mikroskopie, Kinase-Aktivitätsassays mit Hilfe von FRET, second-messenger Bindungsassays, Redox-Proteomics.

    Ausgewählte Publikationen

    2015

    • Flenner F, Friedrich FW, Ungeheuer N, Christ T, Geertz B, Reischmann S, Wagner S, Stathopoulou K, Sohren KD, Weinberger F, Schwedhelm E, Cuello F, Maier LS, Eschenhagen T, Carrier L. Ranolazine antagonizes catecholamine-induced dysfunction in isolated cardiomyocytes, but lacks long-term therapeutic effects in vivo in a mouse model of hypertrophic cardiomyopathy. Cardiovasc Res. 2015
    • Carrier L, Mearini G, Stathopoulou K, Cuello F. Cardiac myosin-binding protein c (MYBPC3) in cardiac pathophysiology. Gene. 2015;573:188-197 2014 Lorenz K, Stathopoulou K, Schmid E, Eder P, Cuello F. Heart failure-specific changes in protein kinase signalling. Pflugers Arch. 2014;466:1151-1162
    • Cuello F, Shankar-Hari M, Mayr U, Yin X, Marshall M, Suna G, Willeit P, Langley SR, Jayawardhana T, Zeller T, Terblanche M, Shah AM, Mayr M. Redox state of pentraxin 3 as a novel biomarker for resolution of inflammation and survival in sepsis. Mol Cell Proteomics. 2014;13:2545-2557
    • Candasamy AJ, Haworth RS, Cuello F, Ibrahim M, Aravamudhan S, Kruger M, Holt MR, Terracciano CM, Mayr M, Gautel M, Avkiran M. Phosphoregulation of the titin-cap protein telethonin in cardiac myocytes. J Biol Chem. 2014;289:1282-1293
    • Stathopoulou K, Cuello F, Candasamy AJ, Kemp EM, Ehler E, Haworth RS, Avkiran M. Four-and-a-half LIM domains proteins are novel regulators of the protein kinase D pathway in cardiac myocytes. Biochem J. 2014;457:451-461
    2013
    • Holland RJ, Paulisch R, Cao Z, Keefer LK, Saavedra JE, Donzelli S. Enzymatic generation of the NO/HNO-releasing IPA/NO anion at controlled rates in physiological media using β-galactosidase. Nitric Oxide. 2013;35:131-136
    • Donzelli S, Fischer G, King BS, Niemann C, DuMond JF, Heeren J, Wieboldt H, Baldus S, Gerloff C, Eschenhagen T, Carrier L, Boger RH, Espey MG. Pharmacological characterization of 1-nitrosocyclohexyl acetate, a long-acting nitroxyl donor that shows vasorelaxant and antiaggregatory effects. J Pharmacol Exp Ther. 2013;344:339-347
    • Abonnenc M, Nabeebaccus AA, Mayr U, Barallobre-Barreiro J, Dong X, Cuello F, Sur S, Drozdov I, Langley SR, Lu R, Stathopoulou K, Didangelos A, Yin X, Zimmermann WH, Shah AM, Zampetaki A, Mayr M. Extracellular matrix secretion by cardiac fibroblasts: Role of microRNA-29b and microRNA-30c. Circ Res. 2013;113:1138-1147
    • 2012
    • Fraysse B, Weinberger F, Bardswell SC, Cuello F, Vignier N, Geertz B, Starbatty J, Kramer E, Coirault C, Eschenhagen T, Kentish JC, Avkiran M, Carrier L. Increased myofilament Ca2+ sensitivity and diastolic dysfunction as early consequences of Mybpc3 mutation in heterozygous knock-in mice. J Mol Cell Cardiol. 2012;52:1299-1307
    • Bardswell SC, Cuello F, Kentish JC, Avkiran M. cMyBP-C as a promiscuous substrate: phosphorylation by non-PKA kinases and its potential significance. J Muscle Res Cell Motil. 2012;33:53-60
    2011
    • Sadayappan S, Gulick J, Osinska H, Barefield D, Cuello F, Avkiran M, Lasko VM, Lorenz JN, Maillet M, Martin JL, Brown JH, Bers DM, Molkentin JD, James J, Robbins J. A critical function for Ser-282 in cardiac myosin binding protein-c phosphorylation and cardiac function. Circ Res. 2011;109:141-150
    • Makowski MR, Wiethoff AJ, Blume U, Cuello F, Warley A, Jansen CH, Nagel E, Razavi R, Onthank DC, Cesati RR, Marber MS, Schaeffter T, Smith A, Robinson SP, Botnar RM. Assessment of atherosclerotic plaque burden with an elastin-specific magnetic resonance contrast agent. Nat Med. 2011;17:383-388
    • Haworth RS, Cuello F, Avkiran M. Regulation by phosphodiesterase isoforms of protein kinase A-mediated attenuation of myocardial protein kinase D activation. Basic Res Cardiol. 2011;106:51-63 Grube K, Rudebusch J, Xu Z, Bockenholt T, Methner C, Muller T, Cuello F, Zimmermann K, Yang X, Felix SB, Cohen MV, Downey JM, Krieg T. Evidence for an intracellular localization of the adenosine A2B receptor in rat cardiomyocytes. Basic Res Cardiol. 2011;106:385-396
    • Cuello F, Bardswell SC, Haworth RS, Ehler E, Sadayappan S, Kentish JC, Avkiran M. Novel role for p90 ribosomal s6 kinase in the regulation of cardiac myofilament phosphorylation. J Biol Chem. 2011;286:5300-5310
    2010
    • Yin X, Cuello F, Mayr U, Hao Z, Hornshaw M, Ehler E, Avkiran M, Mayr M. Proteomics analysis of the cardiac myofilament subproteome reveals dynamic alterations in phosphatase subunit distribution. Mol Cell Proteomics. 2010;9:497-509
    • Mattock KL, Gough PJ, Humphries J, Burnand K, Patel L, Suckling KE, Cuello F, Watts C, Gautel M, Avkiran M, Smith A. Legumain and cathepsin-l expression in human unstable carotid plaque. Atherosclerosis. 2010;208:83-89
    • Madhani M, Hall AR, Cuello F, Charles RL, Burgoyne JR, Fuller W, Hobbs AJ, Shattock MJ, Eaton P. Phospholemman Ser69 phosphorylation contributes to sildenafil-induced cardioprotection against reperfusion injury. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2010;299:H827-836
    • El-Armouche A, Wahab A, Wittkopper K, Schulze T, Bottcher F, Pohlmann L, King SB, DuMond JF, Gerloff C, Boger RH, Eschenhagen T, Carrier L, Donzelli S. The new HNO donor, 1-nitrosocyclohexyl acetate, increases contractile force in normal and β-adrenergically desensitized ventricular myocytes. Biochem Biophys Res Commun. 2010;402:340-344
    • Bardswell SC, Cuello F, Rowland AJ, Sadayappan S, Robbins J, Gautel M, Walker JW, Kentish JC, Avkiran M. Distinct sarcomeric substrates are responsible for protein kinase D-mediated regulation of cardiac myofilament Ca2+ sensitivity and cross-bridge cycling. J Biol Chem. 2010;285:5674-5682

  • Die Gruppe arbeitet im Wesentlichen an pharmakoepigenetischen Fragestellungen und kooperiert eng mit Marc Hirt (Kardiale Hypertrophie/micro RNAs ) und Arne Hansen (Tissue-Engineering und Stammzellen) und ihren Arbeitsgruppen im selben Institut.

    Der Begriff Epigenetik ist ein Oberbegriff für all jene Chromatinmodifikationen die der mittel- bis langfristigen Transkriptionsregulation dienen. Dazu gehören beispielsweise Histonacetylierung, -methylierung, -phosphorylierung und -sumoylierung sowie DNA-Methylierung und -Hydroxymethylierung. Diese Chromatinmarkierungen können einerseits über Jahre stabil bleiben und sogar bei der Zellteilung vererbt werden. Andererseits können sie aber auch außerordentlich dynamisch sein und sind der Beeinflussung durch Arzneistoffe zugänglich.

    Eine Veränderung des physiologischen Transkriptoms der betroffenen Herzmuskelzellen ist charakteristisch für hypertrophierte und pathologisch veränderte Herzmuskelzellen. Ein tieferes Verständnis der Rolle der Epigenetik für diese Regulation dieses Transkriptionsmusters könnte die Möglichkeiten für eine erfolgreiche Pharmakothrapie der Herzinsuffizienz langfristig deutlich erweitern. Die Möglichkeit, die Fehlregulation der Transkription auf epigenetischer Ebene zu korrigieren hätte den besonderen Reiz, das Problem gewissermaßen an seiner Wurzel bekämpfen zu können.

    In anderen Feldern der Medizin wie der Neurologie und Onkologie halten epigenetisch wirksame Arzneistoffe derzeit Einzug in die klinische Routine. Demgegenüber weist die kardiovaskuläre Epigenetik derzeit noch eine erhebliche Wissenslücke auf. Wir nutzen das von Marc Hirt entwickelte in vitro-Modell der kardialen Hypertrophie für die epigenetische Grundlagenforschung. Dabei fokussieren wir uns auf die DNA-Methylierungsdynamik und Analysieren den Methylierungsstatus einzelner Promotoren von Hypertrophie-Marker-Genen. Zusätzlich untersuchen wir die Rolle einzelner Komponenten der zellulären Methylierungs- und Demethylierungs-Maschinerie. Um schließlich einen Eindruck davon zu erhalten, ob die DNA-Methylierung im Herzen eine geeignete Arzneistoffzielstruktur darstellt, untersuchen wir im EHT-basierten Hypertrophiemodell und in Nagetier-Modellen den Einfluss epigenetisch aktiver Modulatoren auf die Promotormethylierungsdynamik und auf physiologische Parameter wie die Kraft und Kontraktionsgeschwindigkeit der Herzmuskelzellen.

    Pläne für die Zukunft umfassen eine Erweiterung unserer Forschung von der DNA-Methylierung in Herzmuskelzellen auf DNA-Methylierung in anderen Zelltypen im Herzen.

  • Tissue engineering und Stammzellen - Engineered heart tissue (EHT)

    Floureszenzgefärbte Herzmuskelzellen
    Lupe zum Vergrößern des Bildes

    Immunofluoreszenzfärbung von Kardiomyocyten in einem EHT
    EHT in pink medium

    EHTs werden in 24-well Zellkulturplatten steril kultiviert
    Sections of guinea pig heart tissue

    Meerschweinchen-Infarktmodell mit transplantiertem EHT

    Techniken zur funktionellen Charakterisierung von Kardiomyozyten in vitro sind limitiert. Das Ziel des EHT-Teams ist die Etablierung und Optimierung von Techniken zur Konstruktion drei-dimensionaler, Kraft-entwickelnder Herzgewebe aus Einzelzellen und die Entwicklung von Protokollen zur Analyse relevanter Parameter der Kardiomyozytenbiologie. Die Basis für dieses Vorhaben sind jahrzehntelange Erfahrungen im Bereich des kardialen Tissue Engineering sowie vor kurzem entwickelte Protokolle zur Herstellung von EHTs aus neonatalen Maus-/Rattenherzzellen und Kardiomyozyten, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) unter standardisierten Bedingungen differenziert werden, und Testsysteme zur Beurteilung von Kontraktilität und Calcium-Transienten mit einem hohen Grad and Automatisierung und Reproduzierbarkeit. Spezielle Fragestellungen, die mit dieser Technologie untersucht werden, sind prädiktive Toxikologie, in vitro-Krankheitsmodellierung und therapeutische Applikation.

    Prädiktive Toxikologie

    Der zweithäufigste Grund für Sicherheitsprobleme in späten Phasen der Medikamentenentwicklung ist pro-arrhythmische Kardiotoxizität. Die Analyse von Kardiotoxizität während der präklinischen Medikamentenentwicklung ist zum Teil eingeschränkt durch das Fehlen menschlicher Kardiomyozyten. Wir evaluieren, ob die EHT-Technologie eine sinnvolle Ergänzung des präklinischen Testpanels zur Detektion von Kardiotoxiziät darstellen könnte. Zusätzlich sind wir an der Fragestellung interessiert, inwieweit die gleichzeitige Analyse von Kontraktilität, Potentialänderungen und Calciumtransienten (durch genetisch kodierte Sensoren) den prädiktiven Wert dieser Technologie verbessert.

    In vitro-Krankheitsmodellierung

    Das Verständnis von pathophysiologischen Mechanismen vieler Herzerkrankungen ist unvollständig und Programme zur Medikamentenentwicklung lückenhaft. Unser Ziel ist die Etablierung von high-content in vitro Modellen für wichtige angeborene und erworbene Herzerkrankungen. In diesem Zusammenhang optimieren wir Protokolle, um aus Fibroblasten von Patienten mit genetisch bedingten Herzerkrankungen hiPSCs zu reprogrammieren, isogene Kontrollen herzustellen (indem die Krankheits-definierende Mutation durch CRISPR/Cas9 Technologie korrigiert wird), Kardiomyozyten zu differenzieren und die Krankheitsphänotypen im EHT-Modell zu untersuchen. Außerdem haben wir im Ratten-EHT-Modell pathologische Kardiomyozytenhypertrophie durch akute Nachlasterhöhung (der häufigste Grund für Herzinsuffizienz) dargestellt in Zusammenarbeit mit der Gruppe kardiale Hypertrophie. In verschiedenen Projekten, u.a. dem ERC-geförderten Projekt IndivuHeart , transferieren diese Technologie auf EHTs aus differenzierten Kardiomyozyten. Zusätzlich werden gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Pharmakoepigenetik epigenetische Veränderungen im Rahmen der Entwicklung von pathologischer Hypertrophie untersucht .

    Therapeutische Aspekte

    Myokardinfarkt führt zum Verlust von Kardiomyozyten und damit zu einer wichtigen Prädisposition für Herzinsuffizienz. Der Ansatz das verlorengegangene Herzmuskelgewebe zu ersetzen ist naheliegend, aber für die praktische Umsetzung müssen viele methodische Aspekte untersucht und optimiert werden. Unsere Strategie basiert auf einer Studie aus unserem Institut, in dem an Ratten-EHTs in einer proof of principle-Studie die Realisierbarkeit dieses Ansatzes gezeigt wurde7. Als Übertragung dieser Ergebnisse auf humane EHTs evaluieren wir die mechanistische Fragestellungen (Überleben von Kardiomyozyten nach Transplantation, elektrische Kopplung, Verbesserung der Herzfunktion) in einem Meerschweinchen-Infarkt Model.


    Methoden

    • Herstellung von EHTs im 24 und 6 well-Format aus neonatalen Ratten/Mäuseherzzellen und Kardiomyozyten aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen
    • Differenzierung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen in Kardiomyozyten
    • Herstellung von isogenen Kontrollen durch CRISPR/Cas9
    • Automatisierte Analyse von Kontraktilität, Calcium-Transienten und Potentialänderungen
    • Kardiomyozyten-Hypertrophiemodell in EHTs durch Nachlasterhöhung
    • Transduktion von Kardiomyozyten mit Adenoassoziierten Viren (AAV) und Lentiviren
    • Transplantation von EHTs auf den linken Ventrikel von Nagern

    Finanzierung

    • Deutsches Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung e.V.
    • Deutsche Forschungsgemeinschaft
    • Europäische Union
    • Deutsche Stiftung für Herzforschung
    • Freie und Hansestadt [IM1] Hamburg, Behörde für Wissenschaft und Forschung
    • Crack It Challenge
    • British Heart Foundation

    Ausgewählte Publikationen

    • Eschenhagen T, Fink C, Remmers U, Scholz H, Wattchow J, Weil J, Zimmermann W, Dohmen HH, Schäfer H, Bishopric N, Wakatsuki T, Elson EL. Three-dimensional reconstitution of embryonic cardiomyocytes in a collagen matrix: a new heart muscle model system. The FASEB Journal: official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 1997; 11:683-94.
    • Zimmermann WH, Fink C, Kralisch D, Remmers U, Weil J, Eschenhagen T. Three-dimensional engineered heart tissue from neonatal rat cardiac myocytes. Biotechnology and bioengineering. 2000; 68:106-14.
    • Zimmermann W-H, Schneiderbanger K, Schubert P, Didié M, Münzel F, Heubach JF, Kostin S, Neuhuber WL, Eschenhagen T. Tissue engineering of a differentiated cardiac muscle construct. Circulation Research. 2002; 90:223-30.
    • Hansen A, Eder A, Bönstrup M, Flato M, Mewe M, Schaaf S, Aksehirlioglu B, Schwörer A, Uebeler J, Eschenhagen T. Development of a Drug Screening Platform Based on Engineered Heart Tissue. Circulation Research. 2010;
    • Schaaf S, Shibamiya A, Mewe M, Eder A, Stöhr A, Hirt MN, Rau T, Zimmermann W-H, Conradi L, Eschenhagen T, Hansen A. Human engineered heart tissue as a versatile tool in basic research and preclinical toxicology. PloS one. 2011; 6:e26397.
    • Hirt MN, Sörensen NA, Bartholdt LM, Boeddinghaus J, Schaaf S, Eder A, Vollert I, Stöhr A, Schulze T, Witten A, Stoll M, Hansen A, Eschenhagen T. Increased afterload induces pathological cardiac hypertrophy: a new in vitro model. Basic research in cardiology. 2012; 107:307.
    • Zimmermann W-H, Melnychenko I, Wasmeier G, Didié M, Naito H, Nixdorff U, Hess A, Budinsky L, Brune K, Michaelis B, Dhein S, Schwoerer A, Ehmke H, Eschenhagen T. Engineered heart tissue grafts improve systolic and diastolic function in infarcted rat hearts. Nature Medicine. 2006; 12:452-8.

Verantwortlich für den Inhalt
Autoren: Bärbel Ulmer und Frank Neumann
Erstellung: 26.11.2015
Letzte Änderung: 26.11.2015