Forschungsschwerpunkt

Molekulare Signaltransduktion bei kardialer Hypertrophie und Herzinsuffizienz- und Gentherapie der Herzinsuffizienz

Übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung molekularer Therapieansätze der Herzinsuffizienz:

1.    Evaluierung von Relaxin und dessen Rezeptor (RXFP1) als Zielstruktur bei Herzinsuffizienz
2.    Präklinische und klinische Entwicklung einer RXFP1-basierten Gentherapie der Herzinsuffizienz
3.    Untersuchung der molekularen Signaltransduktionsmechanismen von GRK2 bei Herzinsuffizienz und kardialer pathologischer Hypertrophie
4.    Präklinische und später auch klinische Umsetzung von gegen GRK2 gerichteter Gentherapien der Herzinsuffizienz (βARKct, miRNAs)

Modelle

1. Zellkultur immortalisierter Zelllinien und primärer Kardiomyozyten
2. Kleintierplattform:
   - ischämische Kardiomyopathie (LAD-Ligationsmodell)
   - kardiale Hypertrophie (TAC-Modell)
   - diastolische Dysfunktion / HFpEF (Angiotensin-II Modell)
3. Großtierplattform:
   - ischämische Kardiomyopathie (Infarktmodell)

Projekte

1.    Der Relaxin-Rezeptor als neue Zielstruktur bei Herzinsuffizienz

Evaluierung von Relaxin und dem Relaxin-Rezeptor RXFP1 als Zielstruktur bei Herzinsuffizienz
Das natürlich vorkommende Hormon Relaxin (RLN) wird beim Menschen vor allem während des ersten Trimesters einer Schwangerschaft gebildet. Es bindet an einen G-Protein gekoppelten Rezeptor, den Relaxin Family Peptide Receptor 1 (RXFP1), der zur Bildung von NO führt und so als Vasodilatator wirkt. In Abhängigkeit von Gewebe- und Zelltyp führt RLN aber auch zu einer Reduzierung von Fibrose, Inflammation, Zelltod und Zellschädigungen und – speziell in Kardiomyozyten – einer Steigerung der Herzkraft (positive Inotropie). Obgleich all diese Faktoren eine wichtige Rolle bei der Pathogenese der Herzinsuffizienz spielen, sind die Wirkungen von Relaxin auf die Zellen beschränkt, die den Relaxin-Rezeptor (RXFP1) exprimieren. Im Herzen sind dies lediglich die Atrien, nicht jedoch die Ventrikel, deren pathologische Veränderungen hauptursächlich für die Entstehung der Herzinsuffizienz sind.
Wir haben daraufhin ein gentherapeutisches Verfahren vorgeschlagen, bei dem durch Einbringung des Relaxin-Rezeptors (RXFP1) in die ventrikulären Muskelzellen und gleichzeitige Stimulation durch RLN die kurativen und protektiven Signalkaskaden aktiviert werden, was die Therapie zur Behandlung der Herzinsuffizienz (Herzschwäche) interessant macht.

Entwicklung einer liganden-aktivierten Gentherapie der Herzinsuffizienz
Wir konnten zeigen, dass mittels Adeno-assoziierter Viren (AAV) der humane RXFP1 Rezeptor in den Herzmuskel eingebracht und durch Gabe von RLN dosis-abhängig aktiviert werden kann. In einer Reihe von Kleintiermodellen (primäre Kardiomyozyten, TAC, Ang-II) konnten wir zeigen, dass sich dieser Ansatz zur Behandlung der Herzinsuffizienz eignet.

Präklinische und klinische Umsetzung einer RXFP1-basierten Gentherapie der Herzinsuffizienz
Aktuell validieren wir in einem Projekt die RXFP1/Relaxin-Therapie in einem Großtiermodell der Herzinsuffizienz (LCX Ligation an Hausschweinen). Gleichzeitig wird in diesem Projekt das Sicherheits- und Dosisprofil der gentherapeutischen Vektoren (AAV.RXFP1) und das Dosis-Profil von RLN etabliert, was wichtige Voraussetzungen für die spätere Translation in die klinische Praxis schaffen wird.

2.    Die G-Protein Gekoppelte Rezeptorkinase 2 (GRK2) in der Herzinsuffizienz

Die 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 darstellt und letztendlich zu einer erhöhten Mortalität führt. Aufgrund der Tatsache, dass GRK2 in einer Herzinsuffizienz hochreguliert ist, stellte sich uns die Frage, welche Rolle GRK2 in der kardialen Hypertrophie einnimmt. Eine Annahme, dass GRK2 an der Entstehung und dem Fortschreiten der myokardialen Hypertrophie beteiligt ist, konnte anhand 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 spielt. 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 zudem 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 als zentraler Vermittler von Störungen der β-adrenergen Signaltransduktion und damit einhergehender Progression der Herzinsuffizienz gilt.
Das gentherapeutische Polypeptid βARKct (C- terminale Ende von GRK2) stellt einen innovativen molekularen Ansatz zur Therapie der Herzinsuffizienz dar, da es als kompetitiver Inhibitor der GRK2 wirkt. Es verhindert die durch GRK2 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.

Translationale Inhibition von GRK2 durch Gentherapie mit einer microRNA
In einem weiteren Projekt entwickeln einen Ansatz, um die GRK2 durch gentherapeutisches Silencing zu unterdrücken. Hierzu haben wir eine gegen die mRNA der GRK2 gerichtete micro RNA (miRNA) entwickelt, die in einem nächsten Schritt mittels adenoassoziierter Viren (AAVs) in Herzmuskelzellen geschleust werden kann. Hier führt die miRNA zu einem Knockdown und damit letztlich zu einer Normalisierung der maladaptiv erhöhten GRK2 Level in den Kardiomyozyten.