Unser Fokus liegt auf der Erforschung molekularer Grundlagen von Kardiomyopathien unter Verwendung von menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC). Das Hauptaugenmerk unseres Labors liegt dabei auf den Mechanismen, die an der Pathogenität von Mutationen bei hypertropher Kardiomyopathie (HCM) und dilatativer Kardiomyopathie (DCM) beteiligt sind, sowie auf dem interzellulären crosstalk, der zur kardialen Fibrose bei Kardiomyopathien führt, insbesondere bei der kardialen Amyloidose. 

In streng kontrollierten Zellkulturen können menschliche Gewebeproben (Hautbiopsien, peripheres Blut, Haarfollikel) expandiert und durch Überexpression spezifischer Stammzellfaktoren umprogrammiert werden, um iPSCs zu erhalten. Diese pluripotenten Stammzellen haben das Potenzial, alle Zelltypen des menschlichen Körpers hervorzubringen, einschließlich der Zellen des kardiovaskulären Systems. Durch gezielte Differenzierungsprotokolle erzeugen wir Kardiomyozyten, Endothelzellen sowie kardiale Fibroblasten, um komplexe zelluläre Modelle in vitro zu erhalten. 

Um molekulare Mechanismen aufzuklären, die von genetischen Mutationen zu Kardiomyopathien wie HCM und DCM führen, untersuchen wir iPSC-Linien von Patienten mit familiären Herzerkrankungen sowie von gesunden Personen, die als Kontrollen dienen. Mit Hilfe von Genom-Editing-Tools, vor allem CRISPR/Cas9-basierten Ansätzen, können pathogene Mutationen korrigiert oder eingeführt werden, um perfekt angepasste Kontrollen zu erhalten, die als isogen bezeichnet werden, da der einzige Unterschied die editierte Stelle im Genom ist.

HCM ist durch eine abnorme Hypertrophie des linksventrikulären Herzmuskels gekennzeichnet und führt zu Herzversagen, bösartigen Herzrhythmusstörungen und plötzlichem Herztod. Sie betrifft etwa 1 von 500 Menschen und wird durch genetische Mutationen meist in sarkomeren Genen verursacht, vor allem in Myosin Heavy Chain 7 (MYH7) und Myosin binding protein C3 (MYBPC3). Die meisten Mutationen in MYBPC3 führen zu einem Stopp der Translation und der Proteinsynthese (vorzeitiges Terminationscodon, PTC). Mit Hilfe der iPSC-Technologie in Kombination mit Genome Editing konnten wir eine signifikante Rolle des Nonsense-mediated decay (NMD) Weges bei der Entstehung von zellulären Stressreaktionen und Phänotypen nachweisen (Seeger et al. Circulation 2019)

Anknüpfend an die Beobachtung, dass NMD eine zentrale Rolle in der Pathogenese von HCM aufgrund von PTC-Mutationen in MYBPC3 spielt, hat sich unser Labor mit Georg Stoecklin (Biochemie, Mannheim) zusammengetan, der über eine langjährige Erfahrung in der Forschung zum RNA-Stoffwechsel verfügt. Dieses gemeinsame Projekt ist eingebettet in den neu gegründeten Sonderforschungsbereich (CRC1550; SFB-Initiative). Mit Hilfe von präzisen in vitro Modellen (basierend auf iPSCs) soll die translationale regulatorische Rolle aufgeklärt und im Hinblick auf neue therapeutische Ansätze evaluiert werden.

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit der Genomsequenzierung steigt die Zahl der identifizierten genetischen Mutationen und Variationen als Ursache für DCM. Die Erweiterung des linken Ventrikels und die signifikante Verschlechterung der systolischen Herzfunktion führen zu einer Herzinsuffizienz und bergen auch das Risiko lebensbedrohlicher Arrhythmien. Bei Patienten mit familiärer DCM wurden unter anderem Mutationen im Troponin T (TNNT2) festgestellt. Wir haben isogene iPSCs von Patienten mit einer TNNT2-Missense-Mutation hergestellt, die mit Genom-Editing bearbeitet wurden, um die Mutation zu korrigieren, und die nun als Screening-Plattform für kontraktilitätsverändernde Behandlungen dienen können. 

In ersten Experimenten konnten wir eine signifikante Rolle der veränderten Serinbiosynthesewege/ATF4-Achse in der kontraktilen Homöostase von DCM iPSC-CMs mit einer TNNT2-Fehlmutation (R183W; Perera et al. Eur Hear Journal 2022) nachweisen. 

Im Anschluss daran untersuchen wir die Achse Stoffwechsel/Transkriptionsfaktoren, um spezifische neue therapeutische Ansätze zu identifizieren.

Stammzellbasierte Modelle für die Pathogenität der kardialen Fibrose bei kardialer Amyloidose

Bei der kardialen Amyloidose kommt es zu Proteinablagerungen im Herzmuskel, die zu einer Herzhypertrophie sowie einer Verschlechterung der Herzfunktionen und einer erhöhten Morbidität und Mortalität führen. Ein großer Teil der Patienten ist von Ablagerungen von Transthyretin (TTR)-Fibrillen betroffen, die zu einer Wildtyp-Amyloidose (ATTRwt) führen. Transthyretin (auch als Präalbumin bekannt) ist ein Transportprotein für Schilddrüsenhormone und zirkuliert als Tetramere im Blutkreislauf. Nach der Dissoziation der Tetramere neigen die Monomere dazu, als Protofilamente zu aggregieren und sich schließlich als Fibrillen im Herzen sowie in anderen Organsystemen (z. B. im Nervensystem) abzulagern. Seltene spezifische Mutationen sind in erblichen Fällen von Amyloidose (ATTRmut) bekannt, die zu einer allgemeinen Instabilität der mutierten TTR-Tetramere führen, was zu einem frühen Ausbruch und Fortschreiten der Krankheit führt. 

Allgemein wird angenommen, dass TTR-Fibrillen nicht direkt zur Kardiotoxizität (d. h. zum Absterben der Herzmuskelzellen) führen, die Mechanismen, wie die TTR zu Fibrillen im Herzgewebe werden und nachfolgend diese zum kardialen Phänotyp führen, sind allerdings nicht gut verstanden. Therapeutische Ansätze bislang zielen darauf ab, TTR-Tetramere zu stabilisieren (Tafamidis) oder die TTR-Produktion in der Leber zu hemmen (Antisense-basierte RNA-Therapie). Darüber hinaus hat der gezielte Abbau (z. B. durch spezifische Antikörper) das Potenzial, den Phänotyp umzukehren, doch birgt dieser Ansatz das Risiko, dass Immunreaktionen im Myokard überhand nehmen.

Wir etablieren ein fortschrittliches In-vitro-Modell der TTR-Amyloidose (Wildtyp und mutationsbasiert), um die Auswirkungen von TTR-Fibrillen auf den Crosstalk zwischen Herzzelltypen (d. h. Kardiomyozyten, Fibroblasten und Endothelzellen) zu verstehen und neue Wege für translationale Ansätze zu identifizieren.