Forschungsschwerpunkte

Zyklische Nukleotide

Die zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP sind sehr gut etablierte Second Messenger. In der Vergangenheit hat sich der Arbeitskreis Seifert vor allem mit der Entwicklung von Inhibitoren membranärer Adenylylzyklasen (mACs) beschäftigt (Seifert et al.). Der Schwerpunkt hat sich nun mehr in Richtung Analyse pathophysiologisch relevanter Modellsysteme verschoben. Wir arbeiten derzeit insbesondere an Modellen der Herzinsuffizienz und der polyzystischen Nierenerkrankung. Außerdem analysieren wir die Interaktion von ACs mit Calmodulin. Hierbei stehen die bakteriellen AC-Toxine CyaA von Bordetella pertussis und Ödemfaktor (EF) von Bacillus anthracis sowie die mAC Isoform 1 im Vordergrund. Die AC1 ist insbesondere für die Therapie neuronaler Erkrankungen (chronischer Schmerz, Lern- und Gedächtnisstörungen) von Interesse. Wir beschäftigen uns auch intensiv mit der Analyse von BODIPY-Forskolin, da dieses Diterpen selektiv die AC2, aber nicht andere mAC-Isoformen inhibiert (Erdorf M et al.). Außerdem explorieren wir die Fluoreszenzeigenschaften von BODIPY-Forskolin. Als ein für die Pharmakologie relativ neues System zur Analyse zyklischer Nukleotide haben wir jetzt auch das C. elegans-System etabliert. Schwerpunkt dieses Teilprojektes ist die Analyse von cAMP- und cGMP-Konzentrationen in verschiedenen C. elegans-Mutanten unter normalen Wachstumsbedingungen und unter Stress, UV-Licht, reaktiven Sauerstoffspezies und Hitzeschock. Wir nutzen das System derzeit also vor allem als Modell für Alterungs- und Degenerationsvorgänge.

Ausgehend von Befunden, dass mACs und die lösliche Guanylylzyklase (sGC) eine breite Basenspezifität für Inhibitoren besitzen (Seifert R et al.), haben wir uns in den letzten Jahren zunehmend mit der Frage beschäftigt, inwiefern neben cAMP und cGMP auch die zyklischen Pyrimidinnukleotide cCMP und cUMP Second Messenger-Moleküle darstellen könnten. Der Aufbau dieses Projektes verlief zunächst sehr zäh, da kaum experimentelle Werkzeuge zur Verfügung standen. Die Firma Biolog hat jedoch inzwischen eine ganze Reihe von cCMP- und cUMP-Analoga für die Forschung entwickelt. Außerdem war die Entwicklung neuer, sensitiver und sehr spezifischer massenspektrometrischer Methoden zur Detektion von cCMP und cUMP in der Core Unit Massenspektrometrie-Metabolomics sehr wichtig. Weiterhin wurde die Etablierung des Arbeitsgebietes dadurch erschwert, dass es in der Frühzeit der Forschung zu diesem Thema erheblich methodische Probleme gab (Cech SY und Ignarro LJ;  Gaion RM und Krishna G), die dazu führten, dass das Gebiet bislang nie intensiv bearbeitet wurde. Die Anzahl der Publikationen über cCMP und cCMP nimmt aber seit 2010 stetig zu (Göttle M et al., Desch M et al., Reinecke D et al., Wolter S et al., Beste KY et al.). Wir arbeiten aktuell über Generatoren und Effektoren von cCMP und cUMP. Derzeit befindet sich dieses Arbeitsgebiet noch im Stadium der Grundlagenforschung, und spezifische klinische Anwendungen sind noch nicht konkret absehbar. Historisch gesehen war jedoch die Beschäftigung der Pharmakologie mit fundamentalen Signaltransduktionsvorgängen sehr erfolgreich und hat viele neue Therapieprinzipien hervorgebracht.

Histamin-Rezeptoren

In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Buschauer an der Universität Regensburg sowie der Arbeitsgruppe Bäumer/Kietzmann von der Tierärztlichen Hochschule Hannover und der Abteilung für Immundermatologie und Experimentelle Allergologie der MHH (Prof. Werfel), wurde der Forschungsschwerpunkt „Histamin H₄-Rezeptor" erfolgreich aufgebaut. Über das COST-Programm BM0806 ist der H₄R-Schwerpunkt auf europäischer Ebene verlinkt. Über das GRK 1441 sowie den SFB 587 sind wir mit diesem Schwerpunkt in Forschungsverbünde der MHH integriert. 

Seltene Erkrankungen

Kürzlich wurde an der MHH das Zentrum für Seltene Erkrankungen (ZSE) gegründet. Das Institut für Pharmakologie übernimmt im Rahmen des Zentrums die Beratung und Information über „Orphan Drugs“. Außerdem werden am Institut für Pharmakologie drei Forschungsprojekte über seltene Erkrankungen bearbeitet. Diese Projekte sind in die Forschungsschwerpunkte „zyklische Nukleotide“ (s. oben) und „Histamin-Rezeptoren“ (s. oben) integriert.
1. Im ersten Projekt bearbeiten wir das Lesch-Nyhan-Syndrom (LNS), das über das Zentrum für Metabolische Erkrankungen in das ZSE integriert ist. Das LNS ist eine seltene X-chromosomal vererbte Erkrankung (Prävalenz 1 : 100.000), bei der ein Defekt im Purinstoffwechsel zu einem Autoaggressions- und Automutilationssyndrom führt. Die kausale Verbindung zwischen biochemischem Defekt und klinischem Phänotyp wird bislang nicht verstanden. Deshalb gibt es auch keine wirksame Pharmakotherapie für diese Erkrankung. Ziel der Forschung ist es nun, die dem klinischen Phänotyp zugrunde liegenden Signaltransduktionsmechanismen verstehen zu lernen, um so neue Ansatzpunkte zur Behandlung des LNS zu gewinnen. In einer kürzlich erschienenen Publikation zeigten wir, dass der Purinstoffwechseldefekt mit einer gestörten Funktion von Purinozeptoren assoziiert ist (Erdorf M et. al). Demzufolge könnte eine Normalisierung von Purinozeptorfunktionen einen therapeutischen Ansatz darstellen. Das LNS dient als ein „einfaches“ biochemisches Modell für die große heterogene Gruppe der Impulskontrollstörungen, zu denen auch Essstörungen und Computersucht gehören. Das Institut für Pharmakologie hat an der MHH einen interdisziplinären Arbeitskreis über Impulskontrollstörungen ins Leben gerufen.

2. Im zweiten Projekt arbeiten wir über die autosomal-rezessive polyzystische Nierenerkrankung (ARPKD) (Prävalenz 1 : 20.000). Bei der ARPKD kommt es bereits im frühen Kindesalter zur Zystenbildung in den Nieren, die früh zur Niereninsuffizienz führt. Ferner wird die Leber zystisch umgebaut. Aus Zellkulturversuchen gibt es Hinweise dafür, dass cAMP bei der Stimulation des Zystenwachstums eine wichtige Rolle spielen könnte. Ausgehend von einer kürzlich erschienenen Arbeit, in der wir die Regulation der Adenylylzyklase-Aktivität in der Kanninchenniere ausführlich charakterisierten (Erdorf M und Seifert R), analysieren wir derzeit die Regulation der Adenylylzyklase in einem Rattenmodell für die ARPKD. Wir erhoffen uns durch diese Untersuchungen wichtige Rückschlüsse auf die Pathophysiologie der ARPKD und die Entwicklung neuer therapeutischer Angriffspunkte.

3. In einem dritten Projekt analysieren wir die mögliche Bedeutung des Histamin H₂-Rezeptors (H₂R) als pharmakologische Zielstruktur für die Entwicklung von Pharmaka zur Behandlung der akuten myeloischen Leukämie (AML) (Prävalenz 0,7 : 10.000). Bei der AML liegt ein Differenzierungsblock myeloischer Stammzellen vor. Der Arbeitskreis Seifert hatte schon vor 20 Jahren gezeigt, dass Histamin über den H₂R eine funktionelle Differenzierung von HL-60-Promyelozyten induziert (Seifert R et al.). Allerdings wurde dieser Ansatz bisher nicht weiterverfolgt. Vor kurzem wurde nun Histamin und Interleukin-2 als Orphan Drug unter dem Handelnamen Ceplene^® zur Behandlung der AML zugelassen, wobei hierbei ein immunmodulatorischer Mechanismus diskutiert wird. Ziel unseres Forschungsprojektes ist es nur, das Potential des H₂R als Zielstruktur zur Differenzierungstherapie der AML zu explorieren. Dazu analysieren wir in verschiedenen myeloischen Zelllinien die H₂R-vermittelte Signaltransduktion und Differenzierung. Als pharmakologische Werkzeuge setzen wir dazu u. a. selektive H₂R-Agonisten ein, die von der Arbeitsgruppe Buschauer an der Universität Regensburg entwickelt wurden.