Forschung

Der Forschungsschwerpunkt unseres Institutes liegt auf der kardiologisch-klinisch ausgerichteten Grundlagenforschung. Dabei wollen wir die zellulären Ursachen und Funktionsweisen von Herzkrankheiten wie z.B. Herzrhythmusstörungen verstehen - mit dem Ziel, Ansätze für neue pharmakologische Therapien zu entwickeln. Hierbei folgen wir einem strikt interdisziplinären Ansatz, vom Molekül bis zur in-vivo Situation. Unsere Forschung stützt sich sowohl auf notwendige Tiermodelle (Ratte, Maus) als auch auf humane Herzmuskelzellen, die wir von umprogrammierten, induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS) aus Haut- bzw. Blutproben erhalten können.

Das Auftreten von Herzkrankheiten, wie z.B. Herzrhythmusstörungen im Menschen, hat vielfältige zelluläre Ursachen. Diese können z.B. genetische Ursachen haben, d.h. Proteine sind durch vererbbare Mutationen verändert. Solche Herzkrankheiten können in dem Zellsystem der differenzierten Muskelzellen aus hiPS, quasi in der Zellkulturschale abgebildet werden. Nicht genetische Herzkrankheiten, wie z.B. diejenigen, die durch eine Veränderung von Blut-Hormonspiegeln, wie Endotheline, Aldosteron o.ä., hervorgerufen werden bilden wir i.d.R. in Tiermodellen oder Einzelzellmodellen mariner Herzmuskelzellen (Ratte) ab. Hierbei ist eine Untersuchung auf ganz verschiedenen Ebenen, vom Molekül, über die einzelne Zelle hin bis zum Organ und Organismus (in vivo) unabdinglich und steht im Zentrum unseres wissenschaftlichen Schaffens.

Solch ein im höchsten Maße interdisziplinärer Ansatz stellt hohe Herausforderungen an alle Beteiligten. Diese bestehen nicht nur auf der Ebene der einzelnen Disziplinen, wie z.B. der Molekularbiologie oder der in-vivo Untersuchungen  mittels Telemetrie (Berührungsloser Datenerfassung in-vivo), sondern in verstärktem Maße ebenfalls zwischen den Disziplinen, wir müssen zunächst erst einmal eine "kommune" Sprache und ein gegenseitiges Verständnis erzeugen und unterstützen.

Zu den molekularbiologischen Techniken gehören beispielsweise Methoden, um die Aktivität von bestimmten Schlüsselgenen auf RNA-Ebene zu untersuchen, wie die Reverse Transkriptase Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR), Northern-Blot und Quantitative (Echtzeit) Polymerase Kettenreaktion (q-PCR). Andere Nachweisverfahren, wie Western-Blot und Immunozytochemie werden benutzt um Genprodukte auf der Proteinebene zu studieren. Neben diesen statischen Ansätzen benutzen ebenfalls state-of-the-art Technologien, um die Funktionsweise dieser Genprodukte direkt in lebenden Zellen, quasi "life", zu visualisieren, indem wir sie heterolog in Zellsystemen (Modellzelle und Herzmuskelzellen) exprimieren. Hierzu wenden wir sowohl klassische (plasmid-basierte) Expressionsverfahren wie auch Gentransfer mittels adenoviraler Expressionsvektoren in adulten Herzmuskelzellen oder Adeno-assoziierten Virus vermittelten Gentransfer sogar in-vivo an.

Zu den biophysikalischen Methoden, die wir anwenden, gehören die Patch-Clamp Technik zur Registrierung von Membranströmen und -potentialen, die berührungslose Zell- bzw. Sarkomerlängenmessung zur Beobachtung der Kontraktion und die Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie zur Charakterisierung von Farbstoffen. Um Fluoreszenzen in einzelnen Zellen registrieren zu können, stehen uns eine ganze Reihe von optischen Verfahren zur Verfügung. Ganzzellfluoreszenzmikroskopie mit Photodioden erlaubt die sehr schnelle Registrierung von Fluoreszenzänderungen in einzelnen Zellen. An bildgebenden Verfahren benutzen wir sowohl fokale Techniken (schnelles Video-Imaging) als auch verschiedene konfokalmikroskopische Ansätze, die z.B. Fluoreszenzprotein-Imaging und ultraschnelle Konfokalmikroskpie (mit mehr als 600 Bilder/Sekunde) und Totalreflektionsmikroskopie (FLIM) beinhalten. Wir haben vor kurzem ebenfalls eins von weltweit sehr wenigen Echtzeit-Suoper resolution Mikroskope installiert, das es und erlaubt mit mehreren Hundert Bildern in der Sekunde, Bildgebung jenseits der optischen Auflösungbarriere durchzuführen. Mit speziellen Objektiven erreichen wir hierbei Auflösungen von 80nm x 80nm x 270 nm/Bildpunkt. Dieses "iSIM" genannte Verfahren ermöglicht es uns - in lebenden Präparaten - die Lokalisation von Fluoreszenzmolekülren mit extremer räumlichen und zeitlichen Auflösung zu erreichen. Da wir sehr viele vor allem immer wieder auch neue Fluoreszenzproteine verwenden, haben wir Verfahren adaptiert, die uns eine genaue Charakterisierung dieser Proteine und deren Verhalten in lebenden Zellen erlaubt, wie z.B. Fluoreszenz-Lebensdauermessungen Mithilfe von Einzelphoton-Zählens. Wir kombinieren die verschiedenen biophysikalischen und optischen Ansätze und koppeln diese ebenfalls mit UV-Blitzlichtphotolyse. Zusätzlich haben wir die subzelluläre Freisetzung von "caged compounds" mit Hilfe von 2-Photon Photolyse etabliert.


Um unsere Forschungsziele zu erreichen und uns sowohl wissenschaftlich wie auch technisch/methodisch weiter zu entwickeln, kooperieren wir mit zahlreichen Institutionen. Diese schließen Campus-interne Arbeitsgruppen ein (z.B. Physiologisches Institut - Profs. Rettig und Hoth, Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie - Prof. U.Boehm und V. Flockerzi oder Thorax- Herz- und Gefäßchirurgie - Prof. H.-J. Schäfers und Kardiologie - Prof. M. Böhm und U.Laufs) aber auch nationale und internationale Kooperationen z.B. Medizinische Biochemie & Molekularbiologie - Uni Hamburg (Prof. Guse); Biozentrum Uni Sundee/UK (Prof. Swedlow); Mount Sinai School of Medicine, New York/US (Prof. Ellis-Davies), Physiologie - Universität Bern/Schweiz (Prof. Niggli), Departments of Biochemistry and Theoretical Physics, University of Geneva, Genf/CH (Prof. K. Kruse). Darüber hinaus entwickeln wir ebenfalls Aktivitäten mit der Pharmazeutischen Industrie (z.B. Bayer Health Care, Wuppertal) und anderen High-Technology Firmen (z.B. VisiTech international, Sunderland, UK). Mit VisiTech International verbindet uns eine strategische Partnerschaft.

Molekulare Zellbiologie im Mai 2017