Forschungsschwerpunkt

Molekulare Signaltransduktion bei kardialer Hypertrophie und Herzinsuffzienz- Gentherapie der Herzinsuffizienz

Übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung molekularer Therapieansätze der Herzinsuffizienz:

1. Identifikation von G-Protein gekoppelter Rezeptorkinase 2 (GRK2) als molekulare Zielstruktur
2. Untersuchung der molekularen Signaltransduktionsmechanismen von GRK2 bei Herzinsuffizienz und kardialer pathologischer Hypertrophie

3. Präklinische und später auch klinische Umsetzung einer gegen GRK2 gerichteten
 Gentherapie der Herzinsuffizienz (βARKct)
4. Entdeckung neuer Signaltransduktionswege bei Zytostatika-Kardiomyopathie und
 Entwicklung daraus abgeleiteter präventiver molekularer Therapieansätze

Modelle

1. Zellkultur neonataler und adulter Kardiomyozyten
2. Mausmodelle:
   ischämische Kardiomyopahtie (LAD-Ligationsmodell)
   kardiale Hypertrophie (TAC-Model)
   dilatative Kardiomyopathie ( Doxorubicin-Modell)
3. Großtierplattform:
   ischämische Kardiomypathie (Infarktmodell)

Projekte

Identifikation von G-Protein gekoppelter Rezeptorkinase 2 (GRK2) als molekulare Zielstruktur

Die G Protein-gekoppelte Rezeptorkinase 2 (GRK2) ist ein zentraler Regulator der β-adrenergen Signaltransduktion in Kardiomyozyten.In der Herzinsuffizienz konnte eine Zunahme von GRK2 und ihrer Aktivität beobachtet werden. Wir konnten bereits zeigen, dass Mäuse mit einer genetischen Ablation von GRK2 (konditionelle Knockout-Maus) eine signifikante Besserung der Überlebensrate und der kardialen Funktion nach Myokardinfarkt aufweisen.

Untersuchung der molekularen Signaltransduktionsmechanismen von GRK2 bei Herzinsuffizienz und kardialer Hypertrophie

Die myokardiale Hypertrophie ist eine Anpassungsreaktion des Herzens auf eine Vielzahl mechanischer und auch hormoneller Stimuli, die ein erster Indikator für eine sich später entwickelnde chronische Herzinsuffizienz (Herzschwäche) darstellt und letztendlich zu einer erhöhten Mortalität führt. Aufgrund der Tatsache, dass GRK-2 in einer Herzinsuffizienz hochreguliert ist, stellte sich uns die Frage, welche Rolle GRK-2 in der kardialen Hypertrophie einnimmt. Die Annahme, dass GRK2 an der Entstehung und dem Fortschreiten der myokardialen Hypertrophie beteiligt ist, konnte an Hand von in vivo Versuchen bereits gezeigt werden. Durch Einsatz einer konditionellen GRK2 KO Maus, konnte gegenüber Wildtypmäusen die Progression und Entwicklung der Herzhypertrophie unterbunden werden.

Wir wollen nun untersuchen, welche Rolle die G- Protein gekoppelte Rezeptorkinase 2 (GRK2) bezüglich ihrer Einflussnahme auf hypertrophe Signaltransduktionskaskaden einnimmt. Hierfür soll in einem gentechnischen Ansatz durch virale Überexpression bzw. silencing der GRK2 und Untersuchung hypertropher Marker in vitro und in vivo, die Rolle von GRK2 im hypertrophen signaling entschlüsselt werden.

Die in Folge einer chronischen Mehrbelastung des Herzens auftretende Zunahme der Herzmuskelmasse, ist nicht allein durch die Vergrößerung der Herzmuskelzellen charakterisiert, sondern geht zu dem auch mit einer verstärkten Proteinsynthese, Reorganisation des Zytoskeletts und Re-Expression des fetalen Genprogramms einher.

Präklinische und später auch klinische Umsetzung einer gegen GRK2 gerichteten Gentherapie der Herzinsuffizienz

Molekulare Inhibition von GRK2 durch Gentherapie mit dem kompetitiven Peptid βARKct
Die G Protein gekoppelte Rezeptorkinase 2 (GRK2) ist eine Serin /Threonin Kinase, die erst kürzlich als zentraler Vermittler von Störungen der β- adrenergen Signaltransduktion und somit Progression der Herzinsuffizienz identifiziert wurde.
Das gentherapeutische Polypeptid βARKct (C- terminale Ende von GRK-2) stellt einen innovativen molekularen Ansatz zur Therapie der Herzinsuffizienz dar, da es als kompetitiver Inhibitor der GRK2 wirkt. Es verhindert die durch GRK-2 vermittelte Phosphorylierung und Desensitivierung der kardialen β-Rezeptoren des β- adrenergen Systems.

Bereits in der Zellkultur und im Mausmodell konnte durch Expression von βARKct mit Hilfe eines AAV eine Aufrechterhaltung der myokardialen Pumpfunktion und ein verbessertes Ansprechen auf katecholaminerge Reize gezeigt werden.

Im Großtiermodell (Schwein) der ischämischen Herzinsuffizienz wurde der Virus AAV6.βARKct mittels koronarvenöser Retroinfusion der anterioren Herzvene verabreicht. Diese Form der kardialen Gentherapie zeigte auch hier eine signifikante Verbesserung in der Pumpfunktion der herzinsuffizienten Tiere und war darüber hinaus in der Lage die neurohumorale Achse zu normalisieren.

Zurzeit werden weitere Methoden zur Applikation adenoassoziierter Virus-Vektoren mit βARKct in einem Großtiermodell ischämisch bedingter Herzinsuffizienz (intramyokardiale Injektion via lateraler Minithorakotomie, retrograde Katheterinfusion, Ultraschall Bubbles) getestet. Dabei konzentrieren wir uns auf mögliche Wirkungsweisen von βARKct und seinen Einfluss auf die Genexpression, Stoffwechselveränderungen im Herzen sowie Verschiebungen der neurohumoralen Achse. Diagnostiken wie Echokardiographie, Katheterdruckmessung/PV-Loop, Kardio- MRT oder PET-CT helfen uns bei der Beurteilung der klinischen Wirkung von βARKct.

Entdeckung neuer Signaltransduktionswege bei Zytostatika-Kardiomyopathie und Entwicklung daraus abgeleitete präventiver molekularer Therapieansätze

Doxorubicin ist ein häufig eingesetztes Chemotherapeutikum aus der Klasse der Anthracycline. Es stellt heute eine Standardtherapie zur Behandlung verschiedener Krebsarten dar.
Ein Nachteil der Doxorubicinbehandlung ist jedoch das Auftreten einer schweren und nicht zu behandelnden Kardiomyopathie bei ca. 10-20% der Patienten, wobei das Risiko mit steigenden Doxorubicin Dosen ansteigt.

Wir wollen die Doxorubicin Kardiotoxizität weiter charakterisieren und mögliche Mechanismen in der Zellkultur und im in vivo Mausmodell untersuchen. Indem wir die zugrundeliegenden Mechanismen erforschen, hoffen wir neue Ziele zu finden, die genutzt werden können um die Kardiotoxizität von Doxorubicin verhindern oder zumindenst abschwächen zu können.

Sobald diese Ziele identifiziert sind, planen wir einen gentherapeutischen Ansatz, unter Verwendung des RNAsilencing oder gezielter Überexpression des Zielgens, um die Signalwege der Kardiotoxizität zu beeinflussen.