Unsere Forschung

Eine weitere Entität der Kardiomyopathie ist die kardiale Hypertrophie. Die pathologische Herzhypertrophie ist eine Folge von Krankheiten, die die Nachlast erhöhen, wie z. B. unbehandelter Bluthochdruck und Aortenstenose. Sie zeichnet sich durch ein negatives „remodelling“, Kapillarverringerung und Fibrose aus, die häufig zu Herzversagen führen. In einer translationalen Studie am Schwein haben wir zunächst ein Modell für kardiale Hypertrophie mittel Stent Implantation in die Aorta etabliert.

Während Kontrolltiere bei erhöhter Nachlast ein Kardiomyozytenwachstum entwickelten, das zu einer massiven Hypertrophie führte, wurde dieser Effekt durch die intrakoronare Applikation eines Inhibitors der m-132 (antimiR-132) deutlich abgeschwächt. Darüber hinaus wurden die interstitielle Fibrose und negatives „remodelling“ deutlich verringert, wodurch es zu einer deutlichen Funktionsverbesserung kam. 
Neben anderen Ergebnissen der Kooperationspartner aus der MHH Hannover (Prof. Thomas Thum), trugen diese zur klinischen Translation bei und die klinische Erprobung in Form von klinischen Studien erfolgt zur Zeit.

Diabetes mellitus ist eine häufige und schwere Stoffwechselerkrankung, von der 2014 weltweit 422 Millionen Menschen betroffen waren, wobei die Inzidenz insbesondere in den Industrieländern zunimmt. Es wird intensiv nach neuen Behandlungsmöglichkeiten gesucht, um den Diabetes selbst und die vielfältigen Folgeerscheinungen des Diabetes mellitus zu behandeln. Diabetes mellitus befällt viele Organsysteme einschließlich der Blutgefäße. Als häufigste Folgeerkrankung beeinträchtigt Diabetes mellitus das Herz-Kreislauf-System. Hier sind besonders die Funktion der Herzkranzgefäße sowie die Durchblutung des Herzens betroffen. Ein Herzinfarkt und das daraus folgende Herzversagen sind die häufigsten Todesursachen bei Diabetikern. Leider wird die kardiovaskuläre Sterblichkeit bei Diabetikern aus noch unbekannten Gründen durch moderne antidiabetische Behandlungen, einschließlich Insulin, kaum beeinflusst. Es besteht ein großer Bedarf an einem besseren Verständnis und einer besseren Behandlung der diabetischen Kardiomyopathie zum Wohle der zahlreichen Patienten mit Diabetes mellitus. 

Aktuelle Forschungsprojekte zur diabetischen Kardiomyopathie basieren überwiegend auf Tiermodellen, die neben offensichtlichen Vorteilen, wie der über Generationen verfolgbaren Genetik und dem direkt messbaren Einfluss von Ernährungsformen, auch nicht zu verachtende Nachteile aufweisen. So bauen viele Studien auf transgenen Nagetiermodellen auf, die aufgrund ihrer genetischen Veränderungen nur teilweise mit Symptomen beim Menschen vergleichbar sind, andererseits aber auch hinsichtlich ihrer klinischen Relevanz bei der Translation biomedizinischer Therapieansätze diskutiert werden. Daher haben wir in eine Reihe von Modellen (Zellkultur, ex-vivo Untersuchungen bis hin zu Tiermodellen (Maus und Schwein)) aufgebaut, um die pathophysiologischen Veränderungen im Diabetes besser verstehen zu können und neue Therapieansätze zu entwickeln wie auch testen zu können.

In Untersuchungen an Schweinen mit einem genetischen Diabetes Mellitus durch ein mutiertes Insulin, konnten wir zeigen, dass der Diabetes selbst sehr früh zu pathophysiologischen Veränderungen im Herzen (z.B. Kapillarrarefizierung, Fibrose) und damit einhergehend zu einer Verschlechterung der Herzfunktion führt.

Eine Gentherapie mit eine pro-angiogenen Faktor mittels adeno-assoziiertem viralem Vektor, der für Thymosin ß4 codiert, zeigt hier auch in den diabetischen Tieren in einem Modell der chronischen Myokardischämie ein deutliches Wachstum der Mikro- und Makrogefäße und damit einhergehend eine Reduktion der Fibrose und Verbesserung der Herzfunktion, jedoch nicht auf dasselbe Niveau wie bei nicht-diabetischen Tieren. 

Die Standardtherapie bei verschlossenen Herzkranzgefäßen besteht in einer raschen Rekanalisation der betroffenen Gefäße, der sogenannten Revaskularisierung. Diese Methode ist zeitsensitiv und der Anteil an gerettetem Gewebe verringert sich, je länger der Gefäßverschluss andauert. Jedoch kommt es auch durch das Wiedereröffnen des verschlossenen Gefäßes zu einem Schaden, dem sogenannten Reperfusionsschaden. Dieser entsteht durch das schnelle Einströmen von sauerstoffreichem Blut in das ischämische Herzgewebe und ist charakterisiert durch einen vermehrten Zelltod, Einwanderung von Entzündungszellen und einer verminderten kontraktilen Leistung in diesem Gebiet. Dieser Schaden ist zum Teil reversibel und daher sehr geeignet für neue Therapiestrategien. Die optimierte pharmakologische und interventionelle Therapie konnte deutlich zu einem besseren Überleben von Patienten mit myokardialer Ischämie beitragen, dennoch tritt insbesondere bei Patienten mit großem Herzinfarkt ein adverses Remodelling auf, das bei einer hohen Zahl von Patienten (30% in der AMI-Gruppe) zur Herzinsuffizienz führen kann.

MicroRNAs (miRs) sind kleine, ungefähr 22 Nukleotid lange, nicht-kodierende RNAs die intrazellulär durch die RNasen Drosha und Dicer prozessiert werden. Durch Bindung an mRNAs können miRs die Translation verhindern oder die mRNA Degradation induzieren und damit eine Vielzahl an Zielgenen posttranskriptionell regulieren. MiRs spielen eine zentrale Rolle in der Entwicklungsbiologie, in der Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase sowie insbesondere unter pathophysiologischen Bedingungen. In verschiedenen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die pharmakologische Intervention mit miR-Antisense Molekülen zur spezifischen Reduktion einer miR im Tiermodell genutzt werden kann.

Review: Gene therapy for ischemic heart disease.

Die Inhibition von miR-92a mittels eines LNA-modifizierten Antagonisten zeigte hierbei eine deutliche Verbesserung des Ischämie-Reperfusionsschadens. Neben der Verringerung der Infarktgröße zeigte sich hierdurch eine Verbesserung der Mikrozirkulation und eine Reduktion der lokalen Inflammation, alles zentrale Prozesse die an dem Ischämie-Reperfusionsschaden beteiligt sind.

Die allmähliche Okklusion von Koronararterien kann einen reversiblen Verlust der Kardiomyozyten-Funktion (hibernierendes Myokard) zur Folge haben. Dieses hibernierende Myokard scheint für eine therapeutische Neovaskularisation zugänglich zu sein, da es mittels adäquater Perfusion reaktiviert werden kann. Für eine therapeutische Neovaskularisierung ist in unseren Augen jedoch neben einer Angiogenese auch die Maturierung dieser neu gebildeten Gefäße unabdingbar. Zwei neuartige Faktoren, Thymosin ß4 und MRTF-A, sind in der Lage neben der Neubildung von Gefäßen, der Angiogenese, auch deutlich mehr Perizyten zu rekrutieren. Die essentielle Rolle der Gefäßmaturierung konnten wir in Kaninchen-Hinterlauf-Ischämiemodell zeigen. Ob dieses Konzept eine therapeutische Option in Patienten mit ischämischer Kardiomyopathie sein könnte, haben wir in weiteren Untersuchungen in einem prä-klinischen Schweinemodell des hibernierenden Myokardes untersucht. 

In diesem Modell waren sowohl Thymosin ß4 als auch MRTF-A in der Lage neben der Angio- und Arteriogenese auch die Perfusion im Myokard zu steigern. Diese gesteigerte Perfusion konnte die globale und regionale myokardiale Dysfunktion deutlich verbessern. Zusammenfassend lässt sich sagen, das Thymosin ß4 in Zusammenarbeit mit MRTF-A sowohl die Angiogenese mittels CCN-1 als auch die Gefäßmaturierung mittels CCN-2 steigert und somit eine Verbesserung in den ischämischen Muskeln von Perfusion und Funktion ermöglicht.

Optogenetische Arrhythmieterminierung & LED-Array

Herzkrankheiten sind allgegenwärtig und stellen die kardiovaskuläre Forschung vor immer
neue Herausforderungen. Insbesondere die Mechanismen und Gewebeveränderungen, die
diesen Krankheiten zugrunde liegen, sind in ihrer dreidimensionalen Komplexität oft schwer
zu erforschen. Um die physiologischen Funktionen des Herzens zu beschreiben, erfreuen
sich all-optische Messverfahren derzeit großer Beliebtheit. Per definitionem steht der Begriff
all-optische Physiologie für die Nutzung optischer Eigenschaften und entsprechender Geräte,
die berührungslos mehrdimensionale und multizelluläre physiologische Beobachtungen
ermöglichen. Wie aber könnte dies konkret der Herzphysiologie zugute kommen? Gerade
bei elektrosensiblen Fragestellungen können optische Ansätze von großem Vorteil sein, und
dank der stetigen Weiterentwicklung der Technologie können immer mehr Optiken nicht
nur in vitro, sondern auch in ex vivo oder in vivo Experimenten eingesetzt werden. Hier
konzentrieren wir uns auf neue optophysiologische Methoden im Hinblick auf ihre translationale
Forschungsrichtung, mit denen wir eine Vielzahl wissenschaftlicher Fragen angehen
können, von der messbaren Charakterisierung bis zur Manipulation physiologischer Prozesse
in optogenetisch modifizierten Herzen.

Im Herzen sind alle gleich? 
Einfluss von Geschlecht und Geweberemodellierung in alternden Herzpopulationen

Ventrikuläre Tachyarrhythmien stellen eine ernsthafte Herausforderung für die Herzrhythmusforschung
dar, insbesondere vor dem Hintergrund des gerontologischen Gewebeumbaus
und seines potenziellen Einflusses auf die Protokolle zur Beendigung der Arrhythmie.
Standard-Elektrotherapien vereiteln in gewisser Weise die Untersuchung der zugrundeliegenden
Veränderungen in den Erregungsmustern, indem sie elektrische Artefakte erzeugen, und
könnten daher kritische Abbruchmechanismen verbergen. Die lichtempfindliche Erregungskontrolle
im optogenetischen Herzgewebe mit strukturierter Beleuchtung kann jedoch zur
Überwindung dieser Artefakte und zur Vertiefung unseres Verständnisses der Rhythmusveränderungen
vor, während und nach der Beendigung der Arrhythmie eingesetzt werden.

In Kooperation mit der Tierärztlichen Hochschule Hannover führen wir ein Projekt zur Bildgebung
im optischen geklärten Herz durch. Hierbei werden Herzpräparate von verschiedenen Labortiermodellen
quasi duchsichtig gemacht mittels dem sogenannten Optical Clearing-Verfahren, einzig
die Blutgefässstrukturen sind aufgrund von Färbungen dann sichtbar. Die kameratechnisch gewonnenen
Daten werden statistisch hinsichtlich der vergleichenden Parameter der verschiedenen
Spezies analysiert und in Form einer öffentlichen Datenbank aufbereitet. Dies kann der Entscheidungsfindung
für ein spezielles und das bestmögliche Tiermodell im Vorfeld einer experimentellen
Studie dienen, was neben der experimentellen Verbesserung auch einen positiven Effekt auf die
Reduzierung von Labortierzahlen haben kann (3R-Gedanke).

Tierversuche sind in der biomedizinischen Forschung unverzichtbar, nur mit Hilfe von Versuchstieren können komplexe Vorgänge und Interaktionen im lebenden Organismus erfasst und verstanden werden. Eine Vielzahl der wissenschaftlichen Erkenntnisse ist auf Ergebnisse aus Tierversuchen zurückzuführen. Insofern schafft die tierversuchsbasierte Forschung eine wichtige Basis für den biomedizinischen Fortschritt in Deutschland.

Alle tierexperimentell arbeitenden Wissenschaftler sind sich der großen Verantwortung bewusst, die sie für das Wohlergehen der Versuchstiere tragen. Obwohl Tierversuche in der Forschung unerlässlich sind, besteht Einigkeit darüber, sie auf ein notwendiges Minimum zu beschränken. Als Richtlinie gilt dabei das ethische Prinzip der „3R“: Replace (Vermeiden), Reduce (Verringern) und Refine (Verbessern). Die drei Begriffe wurden von zwei britischen Forschern, dem Zoologen William Russell und dem Mikrobiologen Rex Burch, geprägt und 1959 in ihrem Buch „The Principles of Humane Experimental Technique” veröffentlicht. Die darin beschriebenen Handlungsgrundsätze sollen die Zahl der Versuche begrenzen und das Leid der verwendeten Tiere auf ein unerlässliches Maß verringern. Die konsequente Umsetzung des 3R-Prinzips in allen Bereichen tierexperimenteller Forschung ist die Voraussetzung, dass Tierversuche von den zuständigen Behörden genehmigt werden.

Folgende Prinzipien werden im Sinne der 3R bei der Planung und Durchführung von Tierversuchen angewendet: