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Translationale perioperative Inflammations-Forschung

 

 

 

 

Translationale perioperative Inflammations-Forschung

Leitung: Univ.-Prof. Dr. med. Gregor Theilmeier

 

 

 

 

Breichsleitung

EMail

Telefon

Univ.-Prof.Dr.med. Theilmeier, Gregor

theilmeier.gregormh-hannover.de

3484

     

Laborleitung

Dr.rer.nat. Echtermeyer, Frank

echtermeyer.frankmh-hannover.de

2295

   

Sekretariat

Girnth, Regina

girnth.reginamh-hannover.de

3494

Von Ganski, Lucie-Therese   

vonGanski.lucie-theresemh-hannover.de

2294

Wissenschaftler

Dr.rer.nat. Herzog, Christine

herzog.christinemh-hannover.de

2293

Dipl.biol. Lorenz, Anika

lorenz.anikamh-hannover.de

2293

Dr.med.Larmann, Jan

larmann.janmh-hannover.de

2293

Dr.med.Harendza, Thomas

harendza.thomasmh-hannover.de

2293

Dr.med.Westermann, Anik

westermann.anikmh-hannover.de

2293

Dr.med. Calmer, Simone

calmer.simonemh-hannover.de

3767

       

MTA

Ecklebe, Silke

ecklebe.silkemh-hannover.de

3767

Reher, Kerstin

reher.kerstinmh-hannover.de

3767

Ritter, Christiane

ritter.christianemh-hannover.de

3767

Schulz, Kirsten

schulz.kirstenmh-hannover.de

3767

                             

Study Nurse

Sahlmann, Bianca

sahlmann.biancamh-hannover.de

3767

   

Doktoranden

Hubrich, Svenja

Kaczmarek, Dominik

Gillmann, Hans-Jörg

Müller, Martin

mueller.martinmh-hannover.de

3767

Hopf, Sophie

hopf.sophiemh-hannover.de

3767

Burda, Katharina

burda.katharinamh-hannover.de

2293

Janßen, Henrike

janssen.henrikemh-hannover.de

2293

 

 

 

 

Projekte und Targets

 

Perioperative kardiovaskuläre Komplikationen sind häufig, und werden häufiger, haben eine besonders hohe Letalität, verschlingen Unsummen an Ressourcen und bedrohen immer mehr unserer Patienten, weil die Population chirurgischer Patienten immer älter wird, und immer mehr Begleiterkrankungen hat. Wir haben es versäumt adäquate, der besonderen Dynamik dieser Zwischenfälle angepasste präventive oder therapeutische Strategien zu entwickeln. Aus diesem Dilemma leiten sich die Fragestellungen unserer Projekte ab und spannen einen Bogen von grundlagenwissenschaftlichen, mechanistisch-molekular ausgerichteten Projekten über Methodenentwicklung zur besseren Erfassung bzw. Diagnostik solcher Erkrankungen bis hin zu klinisch-interventionellen Studien. Wir untersuchen Modulatoren der Inflammation, weil diese die Option bieten bei präoperativer Gabe zu einer Stabilisierung und Pazifizierung von Plaques zu führen und gleichzeitig, für den Fall einer Plaque-Ruptur  post-ischämisches Myokard zu schützen. Weil wir damit rechnen, dass die Anwendung solcher Strategien in der Klinik nicht ohne Nebenwirkungen bleiben wird und dass die entstehenden therapeutischen Strategien aufwendig zu applizieren und kostspielig sein werden muss ihre Anwendung auf Hoch- und Höchst-Risiko-Patienten beschränkt bleiben. Deshalb haben wir in klinischen Studien, die wir in Kooperation mit unseren Partnern aus der Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie durchführen begonnen, neue Prädiktoren zu identifizieren, die es erlauben ein Risiko für einen individuellen Patienten exakt vorherzusagen.



 

    
    
Abb.1: Perioperative Komplikationen. Myokardischämien im Zusammenhang mit großen Operationen sind häufig, bedrohlich und behandelbar. Die Belastung bei einer großen BAuch-Operation ist einem doppelten MArathonlauf vergleichbar.




Ressourcen

Die Gruppe besteht neben der Leitung aus derzeit 6 Postdoktoranden, 1 naturwissenschaftlichen Doktoranden, einem PhD-Studenten, 4 technischen Assistenten, einer Study Nurse und studentischen Hilfskraftstellen. Wir betreuen ca. 8 Doktoranden aus dem Studiengang Humanmedizin.  Das Labor ist insgesamt als S1-Anlage angemeldet. Unser Tier-OP verfügt über Mikrochirurgie-Arbeitsplätze. Das Labor verfügt über alle üblichen molekularbiologischen Methoden. Wir haben das Pichia pasteuris-System zur Expression rekombinanter Proteine in unserer Arbeitsgruppe etabliert. Die Gruppe verfügt weiter über ein Durchflußzytometer mit Zell-Sorter sowie eine Online-PCR-Einheit. Zu unserem Labor gehört ein Histologie-, ein Proteinbiochemie- und ein Zellkulturlabor. Wir sind aktuell von der DFG und der Else Kröner Fresenius-Stiftung gefördert.


Grundlagenorientierte Projekte


1. Inflammationsmodulatoren  als Zielstrukturen für die Behandlung des Reperfusionsyndroms nach transienter Ischämie (Thrombomodulin (KFO136 - TP12), u-PAR, HDL, Syndecan-4, Sphingophospholipide)

 



Kardiovaskuläre Erkrankungen haben eine schlechte Prognose. Effektive und kausale Strategien zur Behandlung des Reperfusionssyndroms und des maladaptiven Remodelings nach Myokardischämien mit Reperfusion (MI/R) stehen kaum zur Verfügung. Die myokardiale Wundheilung wird durch Zellen induziert, die aus dem Knochenmark mobilisiert und in den Infarkt rekrutiert werden. Die Defizienz der Lektin-artigen Thrombomodulin-Domäne (TMLeD) bewirkt eine akzentuierte inflammatorische Antwort durch eine verstärkte Leukozyten-Rekrutierung auf dem Boden einer verstärkten NFkappaB-vermittelten Expression von Adhäsionsmolekülen, die zu einer deutlich verstärkten Myokard-Fibrose nach Ischämie führt. Wir haben gezeigt, dass die Effekte der TMLeD auf die Entzündung, das ventrikuläre Remodeling und die Fibrose nach Myokardinfarkt nur partiell durch Leukozyten vermittelt werden. In Subtraktionshybridisierungen von MI/R-Myokard aus TMLeD-KO und -WT-Mäusen haben wir als die am stärksten regulierten Kandidaten das mitochondriale anti-oxidative mitoNEET, das Signalmolekül Phospho-Tyrosin-Phosphatase Rezeptor sigma und das pro-inflammatorische Follistatin-like 1 ermittelt, die TMLeD-abhängig differentiell reguliert werden. Diese Kandidaten sollen nun bezüglich ihrer Regulation auf Proteinebene und ihrer funktionellen Bedeutung für das maladaptive Remodeling während der Infarktheilung untersucht werden.
    
   
   

 

    
    
Abb 2: Thrombomodulin ist ein endothelialer und leukozytärer Rezeptor, der für die Inaktivierung von Thrombin und die Aktivierung von Protein C über seine sechs EGF-Domänen bekannt ist. Der zytosolische Schwanz des Proteins hat keinen Signaleffekt. TM’s anti-inflammatorischen Effekte werden über die ansonsten funktionslose Lektin-artige Domäne vermittelt, die als einzigen bekannten Liganden das nukleäre Protein HMGB-1 aufweist. HMGB-1 wirkt über die Toll-like Rezeptoren (TLR)-2 und -4 und verursacht eine Aktivierung und inflamamtorische Reaktion verschiedener Zell-Typen. Da das im TP02 (Grote/Schieffer) untersuchte MALF-2 ebenfalls ein TLR-Ligand ist, soll seine Bindung an die TMLeD in Kooperation untersucht werden.



Durch diesen Ansatz wird sich klären lassen, ob der durch TMLeD im Wildtyp verhinderte Entzündungsprozess eine LV-Dilatation induziert, welche funktionelle Bedeutung die TMLeD-abhängig regulierten Genprodukte für das maladaptive Remodeling haben und ob sich diese Kandidaten für therapeutische Interventionen eignen.

Wir haben in einer Reihe von weiteren Studien die therapeutische Nutzbarkeit von Syndecan-4, u-PAR und Sphingophospholipiden für das post-ischämische Myokard untersucht.                       
     
    
      

u-PAR
      

So zeigen unsere DFG-geförderten Untersuchungen, dass genetisch veränderte Mäuse, die den Rezeptor CD87 nicht mehr synthetisieren, kleinere Myokardinfarkte nach transienter Ischämie entwickeln. Außerdem sind diese Mäuse vor der Entwicklung atherosklerotischer Plaques geschützt und haben Vorteile gegenüber ihren Wildtyp-Kontrollen, wenn sie einen Endotoxinschock erleiden. Wir können zeigen, dass gentherapeutisch zugeführtes CD87 die Entzündungsreaktion hemmt und haben den Teil des Mpoleküles identifiziert, der diese Effekte vermittelt. Weitere Untersuchungen sollen klären, ob CD87 ein geeignetes Zielmolekül ist, um therapeutisch auf die Gewebereparatur einzuwirken. Ziel ist die Identifizierung des Molekülteils von CD 87, der für die Integrinaktivierung und Rekrutierung von Leukozyten essentiell ist und somit die Entwicklung Interaktions-inhibierender Wirkstoffe ermöglicht.
  
  

Sphingophospholipide
  

Wir haben zeigen können, dass die Sphingophospholipide S1P und SPC gegen die Myokardischämie schützen. Dieser Effekt wird über den S1P3-Rezeptor vermittelt und ist Stickstoff-Monoxid abhängig. S1P und SPC können vor oder nach der Myokardischämie appliziert werden und verkleinern den Infarkt. Ihre Wirkung resultiert in einer Reduktion von Entzündung und Apoptose im betroffenen Myokard.
  
  

Syndecan-4
    

Syndecan-4 ist ein Heparansulfat-Proteoglycan, von dem gezeigt wurde, dass es eine wichtige Rolle für die Wundheilung spielt. In unseren Untersuchungen haben SDC-4-defiziente Mäuse größere Infarkte nach Myokardischämie-Reperfusion und rekrutieren mehr Leukozyten in entzündete Gewebe. Wir charakterisieren im Rahmen dieses Projektes die Rolle von SDC-4 für die myokardiale Wundheilung und das Remodeling.
   
   

 

2. Plaquestabilisierung in der perioperativen Phase

Eine wichtige und nach Operationen schwierig zu behandelnde Komplikation ist die Myokardischämie, die zu einem Untergang von Herzmuskelzellen führt. Solche Myokard-Infarkte führen zu einer deutlich erhöhten Sterblichkeit während und nach großen Operationen. Die Ursache für Myokard-Infarkte sind atherosklerotische Plaques. Deren Entstehung beginnt bereits  in der Jugend. Etwa 65% der über 65-jährigen haben eine bedeutsame Atherosklerose, die durch eine Reduktion des Blutflusses unter die Bedarfsschwelle zu schweren perioperativen Myokard-Ischämien führen kann. Plaques können außerdem unter der immensen Belastung während und nach der Operation rupturieren und einen Infarkt verursachen. Eine Reduktion des Plaquevolumens oder eine mechanische Stabilisierung könnten also zu einer Reduktion der Myokard-Infarkte und deshalb der Sterblichkeit führen. Makrophagen (MØ) sind ursächlich für die Destabilisierung und Rupturneigung atherosklerotischer Plaques. Sie unterliegen auch in fortgeschrittenen Läsionen einem ständigen, raschen Austausch durch Invasion einerseits und Egress über das Endothel von basal nach apikal sowie über regionale Lymphbahnen andererseits. Die Modulation dieses Austauschprozesses wäre eine in der perioperativen Phase wünschenswerte Therapiestrategie zur akuten Stabilisierung und Rupturprävention atherosklerotischer Plaques.

 

    
    
Abb3: Die Pathophysiologie der Atherogenese beinhaltet interessante therapeutische Optionen. Atherosklerotische Plaques beginnen bereits in der Jugend dadurch zu entstehen, dass Makrophagen unter dem ENdothel kumulieren (1). Dort phagozytieren sie Lipoproteinpartikel (2). Wir beginnen erst allmählich zu verstehen, dass ein Plaque ein ausgesprochen dynamisches Gebilde ist, in dem etwa 50% der Makrophagen innerhalb weniger Tage ausgetauscht werden. Dabei verlassen die Makrophagen den Plaque entweder in Richtung Lumen (1) oder durch die Media mittels Lymphkapillaren (4)

High-Density-Lipoprotein (HDL)-Mimetika können eine rasche Plaque-Stabilisierung induzieren. Wir konnten zeigen, dass Sphingosin-1-Phosphat (S1P) als Bestandteil von HDL-Partikeln über den S1P3-Rezeptor eine reduzierte Leukozyteninfiltration in entzündliches Gewebe, nämlich post-ischämisches Myokard, vermittelt und Herzmuskelzellen sowie Endothelzellen vor Apoptose schützt. Unsere Kooperationspartner haben gezeigt, dass das S1P-Analogon FTY720 kurzfristig die Leukozytenzahlen im peripheren Blut reduziert und damit einhergehend langfristig einen Schutz vor Atherosklerose vermittelt.

Wir testen im vorliegenden Projekt die Hypothese, ob eine 48-stündige Behandlung mit FTY720, wie die mit HDL-Mimetika, den MØ-Gehalt atherosklerotischer Läsionen durch verminderte Invasion und/oder gesteigerten Egress von MØ und so die Stabilisierung eines instabilen Plaques induzieren kann.

 

3. Pulmonale Inflammation im Rahmen der Sepsis

Das akute Lungenversagen beziehungsweise die fulminant ausgeprägte Pneumonie

stellen auch unter Bedingungen aktueller intensivmedizinischer Maximalversorgung Krankheitsbilder dar, die mit einer hohen Rate an Sekundärkomplikationen und damit einhergehenden hohen Letalität (ARDS: 40-60%; Pneumonie: 10-15%) assoziiert sind. Häufig treten diese Lungenerkrankungen im Zusammenhang mit septischen Erkrankungen auf. Wir bedienen uns deshalb zweier Tiermodelle, um den therapeutischen Nutzen unserer anti-inflammatorischen Strategien zu untersuchen: Die intratracheale LPS-Instillation, die zu einer solitären Entzündungsreaktion in der Lunge führt und das Sepsis-induzierte Lungenversagen, das sekundär nach einer durch Peritonitis ausgelösten Sepsis auftritt.

Die pulmonal stattfindenden pathophysiologischen Vorgänge sind weder komplett identifiziert noch verstanden, so dass ein effektiver kausaler Therapieansatz zum heutigen Zeitpunkt nicht existiert. Lungenschädigung durch intratracheale LPS Instillation führt unter anderem zu einer starken Expression des Zellrezeptors Syndecan-4 (Syn4), einem transmembranösen Heparansulfatproteoglykan, das hauptsächlich in mesenchymalen Zellen, aber auch in Makrophagen und Endothelzellen exprimiert wird. Wir untersuchen deshalb die Rolle von Syn4 bei der Leukozytenrekrutierung in der direkten Lungenschädigung durch intratracheale Instillation von LPS in Wildtyp und Syn4-/--Mäusen. Die therapeutische  Nutzbarkeit der Lektion-artigen Domäne des Thrombomodulin wird vor allem im Sepsis-induzierten Lungenversagen-Modell untersucht. Hier hoffen wir zeigen zu können, dass die lösliche TmLeD therapeutisch nutzbar ist, um eine überschiessende Inflammation zu verhindern.

 

     
   
Abb4: In die Lunge rekrutierte Neutrophile Granulozyten (PMN). IN SDC-4-Mäusen finden sich signifikant mehr PMN als in den WT-Kontrollen. Die Aufklärung des zugrunde liegenden Mechanismus ist das Ziel eines der Projekte in diesem Arbeitsbereich.

 

 

Klinische Projekte

 

1. Frühe therapeutische Effekte von Statinen und Fibraten auf instabile Plaques: Randomisierte klinische Studie an Endarterektomieproben 

In Kooperation mit der Klinik für Gefäßchirurgie von Prof. Dr. G. Torsello am Franziskus-Hospital Münster, der LabCon in Bad Salzuffeln und der Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin der MHH führen wir eine prospektive randomisierte Studie durch, in der wir die Effekte einer perioperaativen Statin-Therapie auf die kurzfristige Plaquestabilisierung untersuchen. Große operative Eingriffe am Herzen sind für Patienten mit bestehender koronarer Herzkrankheit und deren Kreislaufsystem eine enorme Stressituation, die in ein instabiles Koronarsyndrom münden kann. Hierunter versteht man die durch aufbrechende arteriosklerotische Plaques ausgelöste Thrombenbildung mit Infarkten. Ziel ist es daher, plaquestabilisierende Medikamente einzusetzen. In langfristigen Therapien haben sich Lipidsenker als sehr erfolgreich erwiesen.
Jedoch gibt es Hinweise, dass sie bereits viel kurzzeitiger wirksam sind und bei unauffälligen Patienten, in Bezug auf ihre Arterioskleroseparameter, vor Operationen prophylaktisch einsetzbar sind. Wir werden hierzu in einer randomisierten klinischen Studie die schnelle Wirksamkeit von Lipidsenkern (Statine bzw. Fibrate) auf das Transkriptionsprofil arteriosklerotischer Koronargefäße (Endarterektomieproben) untersuchen. Die mit Hilfe von DNA-Chips generierten Expressionsprofile werden neue Einblicke in Kandidatengene der Atherogenese liefern und zeigen, ob die entzündungshemmenden Eigenschaften der Statine und Fibrate innerhalb weniger Wochen die Plaquestabilität günstig beeinflussen.

    
    
Abb5: Instabile und stabile Läsionen in menschlichen Herzkranzgefäßen. Die Stabilisierung atherosklerotischer Plaques in der perioperativen Phase würde eine sehr gute Option darstellen, um Patienten vor kardiovaskulären Komplikationen zu schützen. Wir identifizieren an Gefäßen von Patienten, die mit Statinen behandelt wurden oder nicht jene Moleküle, die durch die Therapie verändert werden in der Hoffnung, Zielstrukturen zu identifizieren, die sich für eine schnellere und effektivere Therapie eignen würden als die mittels der Statine.

 

2. Prädiktoren für perioperative Komplikationen


Die Erkennung kardiovaskulärer Hochrisiko-Patienten ist trotz jehrzehntelanger wissenschaftlicher Bemühungen schwierig. Bis heute ist die detaillierte KRnakengeschichte, unterstützt von Scoring-Systemen, die beste Möglichkeit, solche Patienten vor der Operation zu erkennen und entsprechenden Präventionsmassnahmen zuzuführen. Diese Präventionsmassnahmen sind selber teilweise invasiv und von möglichen Komplikationen begleitet. Moderne Micro-Array-Technologie erlaubt es die Menge einer Vielzahl von Proteinen parallel zu erfassen. Wir wenden diese MIcro-Array-Technologie an Patienten an, die sich einer grossen Gefäßchirurgischen Operation unterziehen müssen. Wir sucen nach Patterns inflammatorischer Proteine (Cytokine, Adhäsionsmoleküle, CHemokine etc.), die eine Vorhersage möglicherweise auftretender Komplikationen erlauben könnte.

In diesem Projekt untersuchen wir sowohl erwachsene Patienten, die sich einer Aortenersatz-Operation unterziehen müssen, als auch Kinder, die sich einer kongenitalen Korrektur-Operation des Herzens unterziehen müssen. Beide Eingriffe sind mit einer besonders hohen Rate an inflammatorischen Komplikationen behaftet und erlauben es, während der Eingriffe Blut und Gewebeproben zu gewinnen, die zur genetischen Analyse relevanter Genprodukte herangezogen werden, um die optimale Konstellation von Protein-Multiplex-ELISA-Arrays zu identifizieren.