Institut für Physiologische Chemie / Biochemie · eine Modulation der Signalmechanismen Wege für eine ... reger oder für ... Kollaboration: E. Neher, J. B. Sørensen, Max-Planck-Institut

MHH Forschungsbericht 200350 MHH Forschungsbericht 2003 51

BIOCHEMIE

Institut für Physiologische Chemie / Biochemie

Direktor: Prof. Dr. rer. nat. Matthias Gaestel

Forschungsprofil der Abteilung

Die Forschung des Instituts wird von derzeit sieben unabhängigen Arbeitsgruppen getragen. Eine weitere Arbeitsgruppe wird nach Besetzung der Juniorprofessur „Struktur und Funk-tion von Proteinkinasen und Proteinphosphatasen“ dazukommen. Alle wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts sind an der Lehre in den Studiengängen Human- und Zahnmedizin bzw. Biochemie beteiligt, einige darüber hinaus an der Lehre in den Studiengängen Biologie und Chemie.

Innerhalb des Instituts werden Signaltransduktionsmechanismen, welche für Krebsentste-hung und Entzündung relevant sind, auf verschiedenen Ebenen untersucht. Ziel ist es, durch eine Modulation der Signalmechanismen Wege für eine effektive und rationale „Signaltrans-duktionstherapie“ dieser Erkrankungen zu eröffnen. Die Analyse von Proteinphosphorylierung und Proteinkinasen stellt einen übergreifenden Schwerpunkt des Instituts dar.

Arbeiten zum Verständnis des Signallings von Rezeptortyrosinkinasen erfolgen in den Gruppen von PD Dr. Tamura und Dr. Niedenthal (C1), wobei eine thematische Ergänzung zwischen den Gruppen insbesondere hinsichtlich Rezeptoraktivierung (Tamura) und Deak-tivierung (Niedenthal) besteht. Die Signalmechanismen von intrazellulären Serin/Threonin-Kinasen stehen im Mittelpunkt der Arbeiten der Gruppen Prof. Gaestel/Dr. Kotlyarov, Dr. Mielke, Prof. Holtmann und Prof. Müller. Die Arbeiten der Gruppen von Prof. Gaestel/Dr. Kotlyarov und Prof. Holtmann (C3 „Biochemie der zellulären Signaltransduktion“) bilden da-bei einen thematischen Schwerpunkt hinsichtlich der Erforschung von entzündungsrelevanten Mechanismen der p38 MAPK vermittelten Signaltransduktion inklusive der entsprechenden downstream-Mechanismen der post-transkriptionellen Genregulation. In den Gruppen Prof. Müller und Dr. Mielke steht die Rolle von Proteinkinasen bei Differenzierung in verschiedenen relevanten zellulären Systemen, wie z.B. embryonalen Stammzelllinien, im Mittelpunkt des Interesses. Die Forschungsarbeiten des Instituts werden abgerundet durch die Arbeiten der Gruppe Dr. Binz, welche die signalmodulierende Wirkung bakterieller Neurotoxine für die Vesikelfusion untersucht.

Die aktive Forschungsarbeit des Instituts hat dazu geführt, dass das Institut ab 2004 mit 4 Teilprojekten in Sonderforschungsbereichen der MHH vertreten ist (Gaestel/Kotlyarov SFB566 und SFB 621, Holtmann SFB 566, Tamura SFB 566). Alle Arbeitsgruppen des Instituts haben erfolgreich Drittmittel eingeworben. Beachtenswert ist ebenfalls die maßgebliche Beteiligung an international geförderten Projekten der EU (Koordination des Research Training Netzwerks „Modulation of Signalling“, Gaestel) und des International Human Frontier Science Programms (2 Teilprojekte, Tamura und Binz).


Regulation der Expression entzündungsrelevanter Proteine durch Änderungen der

mRNA-Stabilität

Unser Organismus ist vielfältigen schädlichen Einflüssen wie Verletzungen oder Infektionen ausgesetzt. Die Reaktion des Körpers äußert sich als Entzündung. In den beteiligten Zellen wird dabei durch äußere Faktoren wie der Kontakt mit Krankheitserregern die rasche und massive Synthese von Proteinen ausgelöst, die für die Abwehr- und Heilungsvorgänge benötigt werden, bei unkontrollierte Synthese aber selbst schädlich sind. Dazu gehören sogenannte Cytokine wie Interleukin 1 (IL-1) oder Tumor-Nekrose-Faktor (TNF). Diese Botenstoffe sig-nalisieren Zellen in der Umgebung das Vorliegen einer Infektion oder Gewebeschädigung. Sie induzieren die Synthese weiterer für die Abwehr essentieller Proteine (z. B. Enzyme, Rezeptoren, Adhäsionsmoleküle, weitere Cytokine). Wegen der pathogenetischen Bedeutung dieser Proteine sind Mechanismen, die Stärke und Dauer ihrer Produktion kontrollieren, von zentralem medizinischem Interesse.

Änderungen der Produktion von Proteinen basieren auf Änderungen der Expression ihrer Gene. Die Expression von entzündungsrelevanten Genen wird durch eine Abfolge von Ereig-nissen in der Zelle gesteuert, die von membranständigen Rezeptoren (z. B. für Krankheitser-reger oder für Zytokine) ausgehen. Rezeptor-aktivierte intrazelluläre Signalwege, darunter die MAP-Kinasekaskaden sowie der NF-kappaB-Weg, kontrollieren die Genexpression durch Aktivierung der Boten-RNA(mRNA)-Synthese (Transkription) sowie durch Beeinflussung des weiteren Schicksals der RNA (Reifung, Transport, Translation in Protein, Abbau der RNA).

Mechanismen, die die Genexpression „post-transkriptionell“ auf der Ebene der mRNA regulieren, werden in der Arbeitsgruppe vorwiegend am Modell der durch IL-1 induzierten Synthese von IL-8 untersucht, einem Zytokin aus der Gruppe der Chemokine, das für die Anlockung und Aktivierung von Neutrophilen verantwortlich ist. Die IL-8 mRNA wird nach unseren Befunden basal rasch degradiert. Das pro-entzündliche Zytokin IL-1 induziert durch Aktivierung der p38 MAP-Kinase und der „downstream“ gelegenen MAPKAP-Kinase 2 (MK2) eine Stabilisierung dieser mRNA.

Als für die Regulation der Stabilität entscheidender Bereich in der IL-8 mRNA wurde eine Adenosin- und Uridin-reiche Region identifiziert. Ähnliche Regionen (AU-reiche Elemente, ARE) finden sich in den mRNAs zahlreicher Zytokine und anderer rasch induzierter Proteine. Sie sind für die kurze Halbwertszeit dieser mRNAs verantwortlich. Für einige von ihnen konn-te ebenfalls eine Stabilisierung durch den p38/MK2 Signalweg gezeigt werden. So kann dieser Signalweg durch Hemmung der mRNA-Degradation ihre Menge massiv erhöhen und damit die Voraussetzung für die Synthese großer Mengen des betreffenden Proteins schaffen.

Generell geht man davon aus, daß die basal rasche Degradation ARE-enthaltender mRNAs und die durch den p38/MK2-Signalweg induzierte Stabilisierung auf der Interaktion des ARE mit selektiv bindenden regulatorischen Proteinen beruht. Die Analyse der mRNA-Stabi-lisierung beinhaltet daher die Charakterisierung regulatorischer mRNA-Elemente, mit ihnen wechselwirkender Proteine und ihrer Funktion.

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Wichtige Aufschlüsse über Struktur-Funktionsbeziehungen von AREs lieferte die genaue Charakterisierung der regulatorischen Region der IL-8 mRNA. Dazu wurden Sequenzen der IL-8 mRNA in eine stabile mRNA eingefügt ( -Globin mRNA, t1/2 > 10 h). Die so entstandenen chimären „Reporter“ mRNAs wurden in HeLa-Zellen auf ihre basale Degradationsrate und auf Stabilisierung durch Aktivierung des p38 MAP-Kinaseweges geprüft. Um Aufschlüsse über die entscheidenden Merkmale dieser Sequenzen zu erhalten, wurden Deletionen und Punktmutationen eingefügt.

Abb. 1: Kontrolle der Stabilität von mRNAs durch funktionell unterschiedliche Domänen in AU-reichen mRNA-Elementen (ARE). Erklärung siehe Text.

Die bisherigen Ergebnisse zeigen eine funktionell zweiteilige Struktur des IL-8 AREs: eine Kerndomäne ruft nur eine begrenzte Destabilisierung hervor, ermöglicht aber bereits eine Stabilisierung durch Aktivierung der p38/MK2 Kinasekaskade. Zur basal raschen Degradation trägt eine direkt angrenzende Hilfsdomäne wesentlich bei. Der funktionelle Vergleich mit dem ARE des Cytokins GM-CSF deutet daraufhin, daß diese Struktur ein generelles Merkmal einer bestimmten Gruppe von AREs ist.

Eine wichtige Frage betrifft die Selektivität von Stabilisierungsmechanismen. Bisher ermöglichten alle geprüften AREs und deren Mutanten, die eine Destabilisierung zeigten, immer auch eine Stabilisierung durch p38/MK2. Dagegen erfordert das mRNA-stabilisierende Protein HuR davon abgrenzbare Strukturen, die dem ARE von IL-8 gänzlich fehlen und bei den AREs von GM-CSF und c-fos in der Hilfsdomäne lokalisiert sind. Dieser Befund impliziert, daß der p38/MK2 Signalweg und HuR unabhängig voneinander mRNAs stabilisieren und sich dabei in ihrer Spezifität unterscheiden.

Proteine, die selektiv mit AREs interagieren, wurden durch Affinitätschromatographie mit immobilisierter ARE-enthaltender RNA isoliert und massenspektrometrisch identifiziert. Da die Aktivierung der Proteinkinase MK2 eine Stabilisierung ARE-enthaltender mRNAs induziert, dient die Phosphorylierung durch MK2 als ein weiteres Kriterium für die Identi-fizierung relevanter Proteine. Unter den von uns identifizierten selektiv an ARE-RNA bin-

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denden Proteinen wird vor allem PABP1 durch MK2 in vitro phosphoryliert. PABP1 bindet allgemein im Zytoplasma an den poly(A) Schwanz von mRNAs (poly(A)-binding protein 1), könnte aber darüber hinaus nach unseren Ergebnissen eine spezielle regulatorische Funktion bei ARE-enthaltenden mRNAs ausüben. Ein Modell zur Funktion von PABP1 und anderen ARE-bindenden Proteinen ist in Abbildung 2 skizziert:

Abb. 2: Modell einer mRNA mit Interaktion von 5‘ und 3‘ Ende über eIF4E, eIF4G und PABP1, sowie Assoziation von Proteinen an das AU-reiche Element. Mögliche desta-bilisierende Interaktionen und ihre Modifikation nach Phosphorylierung von PABP1 durch MK2 sind mit Fra-gezeichen gekennzeichnet.

Generell kann eine zytoplasmatische mRNA eine geschlossene Struktur bilden, bei der das 5‘-Ende und der poly(A)-Schwanz über eine Protein-Brücke unter Beteiligung von PABP1 in-teragieren. Diese Struktur kann die Enden der mRNA vor degradierenden Enzymen schützen. Am ARE bindendes PABP1 und weitere dort befindliche Proteine könnten diese stabilisierende Interaktion stören. Diese Störfunktion würde durch den p38/MK2 Signalweg aufgehoben.

Gestützt wird dieses Modell ferner durch eigene Beobachtungen zur Rolle des poly(A)-Schwanzes bei der regulatorischen Funktion von AREs. Es zeigte sich, daß der p38/MK2 Signalweg bereits den Abbau des poly(A)-Schwanzes als ersten Schritt der mRNA Degradation verhindert. Ergänzend dazu ist in einer mRNA, die in der Zelle durch eine entsprechende Manipulation ohne poly(A)-Schwanz hergestellt wird, die Regulation durch das ARE aufge-hoben: weder eine Destabilisierung noch eine durch p38/MK2 induzierte Stabilisierung sind feststellbar.

Weitere Analysen zu Struktur und Funktion der am RNA-Abbau beteiligten RNA-Protein-Komplexe und ihrer Kontrolle durch externe Stimuli sollen die Kenntnisse dieser grundlegenden Prozesse verbessern. Damit sollen Faktoren erfaßt werden, die die Stärke und Dauer der Synthese von an Entzündungsreaktionen beteiligten Proteinen bestimmen. Diese Informationen sind wichtig für das Verständnis der Pathogenese von akuten und chro-nischen Entzündungen und können zur Identifizierung möglicher neuer therapeutischer Zielmoleküle führen.

Verantwortlicher Arbeitsgruppenleiter: Helmut Holtmann; Mitarbeiter: R. Winzen, N. Redich; Förderung: DFG - SFB 566

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Weitere Forschungsprojekte

Molekularer Mechanismus der Kooperation von Nerven- und Hepatozyten-

Wachstumsfaktor (NGF u. HGF) bei der Entwicklung von Neuronen und der Tubulogenese

(„branching tubulogenesis“) epithelialer Zellen.

T. Tamura-Niemann, A. Koch, DFG

Die Signaltransduktionswege von c-Kit und verwandten Tyrosinkinasen: Molekularer

Mechanismus der hämatopoetischen Differenzierung und der Entstehung von

Leukämien.

T. Tamura-Niemann, A. Mancini, DFG - SFB 566

Untersuchungen der p75 Neurotrophin-Rezeptor/SUMO-1-Interaktion und ihrer

Funktion in der p75NTR-Signaltransduktion

R. Niedenthal, V. Gudi, Z. Czentnar und A. Jakobs, DFG

Untersuchungen zur Interferon/LPS induzierten ISG15 Konjugation

R. Niedenthal, J. Köhnke und A. Jakobs, ohne externe Förderung

Untersuchungen zur physiologischen Funktion der MAPK-aktivierten Proteinkinase 2

(MK2): Weitere Analyse des Phänotyps der MK2-knockout-Maus und ihrer Zellen

Mitarbeiter: M. Gaestel, A. Kotlyarov, K. Schewe, K. Laaß, M. Schubert, S. Feldhege, D. Krone, T. Iakovleva; Förderung DFG – SFB 566

Rolle der stress-aktivierten Proteinkinasen MK2 und MK5 bei entzündlichen

Darmerkrankungen der Maus

Mitarbeiter: M. Gaestel, A. Kotlyarov; C. Prohl, Förderung DFG - SFB 621

Modulation of Signaling for the Treatment of Cancer, Diabetes and Inflammation

Mitarbeiter: M. Gaestel, A. Kotlyarov, E. Hitti, N. Ronkina; Förderung: Europäische Ge-meinschaft

Weitere Analyse der physiologischen Funktion der Proteinkinase MK5/PRAK

Mitarbeiter: A. Kotlyarov, S. Kant, S. Feldhege, M. Gaestel; Förderung DFG

Kontrolle der Synthese von Interleukin 6 durch posttranskriptionelle Mechanismen:

Analyse Signal-induzierter Änderungen der mRNA-Stabilität

H. Holtmann, R. Winzen, G. Gowrishankar, M. Wittig, Förderung: DFG

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Regulation von Spleißen und Stabilität der TNF mRNA durch RNA-abhängige

Signalwege: Cross-Talk zwischen PKR und p38 MAP Kinase

H. Holtmann, M. Enge, G. Gowrishankar, Förderung: DFG

Die Rolle der p38 Stresskinasen für die Proliferation und Differenzierung von neuronalen

Stammzellen

K. Mielke, Förderung: MHH HiLF

Retinoid-induzierte Signalkaskaden bei Säugerzellen in Kultur

W. Müller, S. Graß, Kooperation mit R. Scheibe, J. Meißner, Abteilung Physiologie der MHH. Förderung: MHH HiLF

Penetration clostridieller Neurotoxine in Nervenzellen

T. Binz, T. Henke, S. Mahrhold, A. Rummel; Kollaboration: H. Bigalke, Institut für Toxi-kologie der MHH, J. Alves, Institut für Biophysikalische Chemie der MHH.Förderung: DFG

Protease/Substrat-Interaktionen clostridieller Neurotoxin L-Ketten

T. Binz, T. Henke, S. Sikorra; Kollaboration: T. Galli, Institut du Fer-à-Moulin, Paris, F;. Förderung: Human Frontier Science Program

Untersuchung der Funktion der SNARE-Proteine im vesikulären Transport

T. Binz, T. Henke, T. Karnath; Kollaboration: E. Neher, J. B. Sørensen, Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen; T. Galli, Institut du Fer-à-Moulin, Paris, F; B. Dav-letov, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, GB; Förderung: Human Frontier Science Program.

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Originalpublikationen

Bollig F, Winzen R, Gaestel M, Kostka S, Resch K, Holtmann H. Affinity purification of ARE-binding proteins identifies polyA-binding protein 1 as a potential substrate in MK2-induced mRNA stabilization. Biochem Biophys Res Commun 2003; 301:665-70.

Kämpchen K, Mielke K, Utermark T, Lang-messer S and Hanemann CO. Upregulation of

the Rac1/JNK signaling pathway in primary human schwannoma cells. Hum Mol Genet 2003; 12:1211-1221.

Li Y., A. Sassano, B. Majchrzak, D.K. Deb, D.E. Levy, M. Gaestel, A.R. Nebreda, E.N. Fish and L.C. Platanias (2004) Role of p38 alfa map kinase in type I interferon signal-ling.


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J. Biol. Chem., 279, 970-979; online publica-tion date, October 24, 2003.

Nagy G, Reim K, Matti U, Brose N, Binz T, Rettig J, Neher E, Sørensen, J B. Regulation of releasable vesicle pool sizes by protein kina-se A-dependent phosphorylation of SNAP-25. Neuron 41: 417.

Rickman C, Meunier F A, Binz T, Davletov B. High affinity interaction of syntaxin and SNAP-25 on the plasma membrane is abo-lished by botulinum toxin E. J Biol Chem 2004; 279: 644-651; online publication date, October 3, 2003.

Rummel A, Bade S, Alves J, Bigalke H, Binz T. Two carbohydrate binding sites in the Hcc-domain of tetanus neurotoxin are required for toxicity. J Mol Biol 2003; 326: 835-847.

Rummel A, Mahrhold S, Bigalke H, Binz T. The Hcc-domain of botulinum neurotoxins A and B exhibits a singular ganglioside binding site displaying serotype specific carbohydrate interaction. Mol Microbiol 2004; 51: 631-643; online publication date, December 15, 2003.

Shi,Y., A. Kotlyarov, K. Laaß, A. D. Gruber, E. Butt, K. Marcus, H.E. Meyer, A. Friedrich, H.-D. Volk and M. Gaestel (2003) Eliminati-on of Protein Kinase MK5/PRAK Activity by Targeted Homologous Recombination. Mol. Cell. Biol. 23, 7732-7741.

Stromer, T, M. Ehrnsperger, M. Gaestel and J.Buchner (2003) Analysis of the interaction of small heat shock proteins with unfolding proteins. J. Biol. Chem. 278, 18015-18021.

Bücher, Buchbeiträge, Lehrbücher

Kracht M, Holtmann H. Cytokines. In: Of-

fermanns S, Rosenthal W, Editors. Encyclo-pedic references to molecular pharmacology. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag; 2003. p. 286-90.

Tamura T, and Koch A. Application of green fluorescent protein. Gene Technology Hand Book ed. M. Muramatsu, T. Yamamoto Yodo-sha Press. pp227-230; 2003

Abstracts

2003 wurden 15 Abstracts publiziert.

Habilitationen und Promotionen

Zoltan Czentnar (Dipl.-Biochem.): Regulation der Tyrosin-Phosphorylierung des p75 Neu-rotrophin Rezeptors.

Brigitte Haas (Dipl.-Biochem.): Charakterisie-rung von glialen Calciumwellen im akuten Hirnschnitt.

Thomas Orth (Dipl.-Biochem.): Untersu-chungen zur Tyrosinphosphorylierungs-ab-hängigen Interaktion und Ubiquitinierung von p75NTR.

Kristine Schauer (Dipl.-Biochem.): Genetic and Biochemical Study of Plasmodium gerhei lecithin:cholesterol acyltransferase.

Ulrike Wedemeyer (Dipl.-Biochem.): Unter-suchungen der prolinreichen Domäne von MAPKAP Kinase 2. Beteiligung an Protein-Protein-Interaktionen und Einfluss auf die intrazelluläre Lokalisation.

Weitere Tätigkeiten in der Forschung

Matthias Gaestel: Sondergutachter der DFG, Gutachter für Deutsche Krebshilfe, EMBO, Wellcome Foundation (UK) und diverse Zeitschriften, Koordinator des EU-Netzwerks


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„Modulation of Signalling fort he Treatment of Cancer, Diabetes und Inflammation“.

Helmut Holtmann: Sondergutachter der DFG, Gutachter für MINERVA (Max-Planck-Ge-sellschaft), Medical Research Council (UK), German-Israeli Foundation, Israel Science Foundation und diverse Zeitschriften.

Teruko Tamura-Niemann: Gutachterin für die German-Israeli Foundation.


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Institut für Biophysikalische Chemie

Betriebseinheit für Biophysikalisch-Biochemische Verfahren

Direktor: Prof. Dr. Dietmar J. Manstein

Forschungsprofil

Den Forschungsschwerpunkt des Instituts bilden Arbeiten an molekularen Motoren und motilen Prozessen. Die am Institut entwickelten und eingesetzten Methoden können in ihrer Mehrzahl jedoch auch leicht für die Untersuchung neuer interessanter Proteine eingesetzt werden und hierin liegt ein weiteres, längerfristiges Ziel unserer Forschungsarbeiten. Da die Geschwindigkeit der Sequenzierung ganzer Genome die Möglichkeiten der Sequenzierungs-zentren bei weitem übertrifft, die Sequenz zu annotieren und die Funktion der Genprodukte zu beschreiben, besteht im „postgenomischen Zeitalter“ ein ungeheuer großer Bedarf nach schnellen und effizienten Methoden, die es erlauben die Struktur und Funktion neuer Gen-produkte experimentell zu bestimmen. Wir entwickeln hierfür molekular-genetische und zellbiologische Techniken mit dem Modellorganismus Dictyostelium discoideum, kinetische und spektroskopische Techniken, die es uns erlauben Reaktionsmechanismen mit wenigen ?g gereinigtem Enzym zu untersuchen, mikroskopische Techniken, die es ermöglichen die Aktivität und das dynamische Verhalten einzelner Proteinmoleküle zu beobachten, und strukturbiologische Methoden, die bei der Röntgenkristallographie die Darstellung von Proteinkristallen und die Bestimmung der Phaseninformation erheblich vereinfachen und beschleunigen.

Forschungsprojekte

Gezielte Umkehr der Bewegungsrichtung eines molekularen Motors

Spezielle Proteine mit gewünschten Eigenschaften maßschneidern zu können, ist ein wich-tiges Ziel der Bio- und Nanotechnologie. Von besonderem Interesse ist hierbei Myosin, ein winziger molekularer Motor, der auch unsere Muskeln bewegt. Wir haben jetzt erstmals einen „künstlichen“ Myosin-Motor aus drei molekularen Bausteinen zusammengesetzt, der sich gezielt rückwärts bewegen kann1. Dieser Erfolg hat Bedeutung für die Biotechnologie sowie die molekulare Medizin und Analytik.

Molekulare Motoren erzeugen Kraft und verrichten mechanische Arbeit in lebenden Zellen. Die erforderliche Energie beziehen sie aus dem Abbau von ATP (Adenosintriphosphat). Generell unterscheidet man bei diesen biologischen Antrieben zwischen Rotationsmotoren, wie beispielsweise dem ATP-prodzierenden Enzym F1F0-ATPase in Mitochondrien oder dem bakteriellen Flagellenantrieb, sowie Linearmotoren, die sich über die „schienenähnlichen“


Aktinfilamente oder Mikrotubuli des Zytoskeletts im Innern einer Zelle bewegen. Diese molekularen Motoren bilden die Grundlage für fast alle biologischen Bewegungen und er-möglichen es subzellulären Strukturen, ganzen Zellen oder sogar Organismen, sich gerichtet zu bewegen.

Die Myosine gehören zu einer außerordentlich großen Familie von molekularen Linear-motoren, die Kraft und Bewegung entlang von polaren Aktinfilamenten in der Zelle erzeugen. Myosine bestehen aus drei Domänen mit jeweils spezifischer Funktion: Über die etwa acht Nanometer große „Motordomäne“ findet die Wechselwirkung mit Aktin und ATP statt. Die Motordomäne ist der am stärksten konservierte Bereich des Myosins und enthält als Strukturelemente ein siebensträngiges Faltblatt mit einigen darum herum gefalteten Helices. In der „Nackenregion“ von Myosin, die als Hebelarm funktionieren kann, befinden sich Bindungsstellen für Calmodulin oder Calmodulin-ähnliche Proteine. Die carboxy-terminale „Schwanzdomäne“ schließlich zeigt die stärkste Vielfalt und für die einzelnen Myosinklassen typische Unterschiede.

Abb. 1: Modell eines künstlichen, „rückwärts-laufenden“ Motors, der an F-Aktin gebunden ist. Das künstliche Motorprotein besteht aus der Motordomäne eines Klasse-1 Myosins (grau), einem 4-Helixbündel-Bereich aus dem human Guanylate Binding Protein-1 (rot) und zwei ?-Acti-nin-Wiederholungseinheiten (orange). Das gezeigte Aktinfilament besteht aus fünf Monomeren (grün und blau).

Um Motorproteine, wie das Myosin, verste-hen und letztlich auch gezielt in ihrer Aktivität beeinflussen zu können, nutzten wir für unsere Forschung ein breites Methodenspektrum, vom computergestützten Proteindesign über die gentechnische Produktion, Röntgenstrukturana-lyse und kinetische Untersuchungen bis hin zur direkten Messung der Bewegungsaktivität und Kraftentfaltung einzelner Motormoleküle. Damit ist es uns nun gelungen, aus Fragmenten verschie-dener Proteine einen „rückwärtslaufenden“ Motor zusammen zu bauen.

Der neue molekulare Motor besteht aus drei unabhängigen Bausteinen: einer „vorwärtslaufen-den“ Motordomäne eines Klasse-1 Myosins, einem 4-Helixbündel-Bereich aus human Guanylate Binding Protein-1 sowie zwei ?-Actinin-Wieder-holungseinheiten (s. Abbildung 2). Die langen, starren ?-Actinin-Wiederholungseinheiten dienen dabei als künstlicher Hebelarm, der kleine Konfor-mationsänderungen innerhalb der Motordomäne verstärkt und dadurch Bewegungen mit einer Amp-

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litude von etwa 10 Nanometer erzeugt. Der 4-Helixbündel-Bereich dient dazu, die Richtung, in die der Hebelarms wirkt, um 180 Grad zu drehen. Dabei ist die Translationsbewegung des Hebelarm-Endes abhängig vom Drehwinkel und der Richtung in die das Hebelarm-Ende relativ zur Drehachse zeigt (s. Abbildung 2).


Abb. 2: Die Translationsbewegung des Hebelarm-Endes (roter Pfeil) ist abhän-gig vom Drehwinkel und der Richtung, in die das Hebelarm-Ende im Verhältnis zur Drehachse zeigt.

Mit diesem „Motorkonstrukt“ ist es uns gelungen, die molekulare Grundlagen aufzu-klären, warum sich Myosin stets in eine spezifische Richtung bewegt, und die so genannte „Hebelarm-Hypothese“ zu bestätigen, mit der man die Arbeitsweise von Myosin theoretisch zu erklären versucht. Unsere Ergebnisse unterstützen ein Modell, wonach sich die Motordo-mänen von Myosinen und Kinesinen inhärent immer zum (+)-Ende der Filamente bewegen. Die Umkehr der Bewegungsrichtung, die man auch in natürlich vorkommenden Mitgliedern beider Motorproteinfamilien beobachten kann, kann durch den Einbau einer geeigneten Domäne im Nackenbereich der Motorproteine erreicht werden.

Das rationale Design eines biologischen Motorproteins mit einer gewünschten Funktion - hier der „umgekehrten“ Laufrichtung - ist ein wichtiger Erfolg auf dem Weg, Proteine mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu bauen. Der maßgeschneiderte Bau molekularer Motoren, deren Geschwindigkeit, Stärke und Richtung man einstellen kann, ermöglicht vielfältige An-wendungen, die von der Nanotechnologie bis zur molekularen Medizin reichen. Beispielsweise

lassen sich die dielektrischen Eigenschaften von Chipoberflächen dynamisch verändern und einstellen, wenn man Methoden der molekularen Lithographie mit der Selbstorganisation geordneter Nanostrukturen aus Motorproteinen verbindet.

1 Tsiavaliaris, G., Fujita-Becker, S. & Manstein, D.J. (2004) “Molecular engineering of a backwards moving myosin motor” Nature 427, 558-561.


Functional Characterization of Myosin Motors

Projektleiter: D.J. Manstein. Kooperationen: M.A. Geeves, University of Kent, UK; K.C. Holmes, MPI für med. Forschung, Heidelberg; F.J. Kull, Dartmouth College, USA; B. Brenner, MHH; Förderung: DFG-Schwerpunkt „Molecular Motors“

Characterization of Actomyosin Binding Forces by Combining Molecular Genetic and

AFM Approaches

Projektleiter: D.J. Manstein. Kooperationen: H. Hörber, Wayne State University, Detroit, USA.; Förderung: DFG-Schwerpunkt „Molecular Motors“

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Muscle and Motility: Energy Transduction in Muscle

Projektleiter: D.J. Manstein. Kooperationen: M.A. Geeves, University of Kent, UK; K.C. Holmes, MPI für med. Forschung, Heidelberg; B. Brenner, MHH; J. Sleep, King’s College, University of London, UK; Förderung: EU Network Grant.

Struktur und Funktion unkonventioneller Myosine

Projektleiter: G. Tsiavaliaris und D.J. Manstein. Mitarbeiter: C. Waßmann; Kooperationen: M.A. Geeves, University of Kent, UK; Förderung: DFG.

Struktur und Funktion von Dynamin

Projektleiter: D.J. Manstein; Kooperationen: F.J. Kull, Dartmouth College, USA; Förderung: DFG.

„Protein Engineering und Design an Modellenzymen wie der Restriktionsendonuklease

EcoRI und der Motordomäne von Dynaminen.“

Projektleiter: J. Alves. Mitarbeiter: P. Vennekohl, U. Kaysser, R. Mull-Grotefend; Förderung: DFG.

Einzelstrang-DNA-bindende (SSB) Proteine

Projektverantwortliche: U. Curth; Mitarbeiter: K. Hagemann, J. Greipel, L. Litz, G. Witte; Förderung: HILF.

Neuartige Proteine der ?-Actinin-/Spectrin-Superfamilie

Projektleiterin: E. Korenbaum, Mitarbeiterin: C. Thiel.

Publikationen

Ballweber E, Kiessling P, Manstein DJ, Mannherz HG. 2003. Interaction of myosin subfragment 1 with forms of monomeric actin. Biochemistry 42: 3060-3069.

Drevon GF, Urbanke C, Russell AJ. 2003. Enzyme-containing Michael-adduct-based coatings. Biomacromolecules 4: 675-682.

Ito K, Kashiyama T, Shimada K, Yamaguchi A, Awata J, Hachikubo Y, Manstein DJ, Yama-moto K. 2003. Recombinant motor domain constructs of Chara corallina myosin display

fast motility and high ATPase activity. Bio-chem Biophys Res Commun 312: 958-964.

Knetsch ML, Tsiavaliaris G, Zimmermann S, Ruhl U, Manstein DJ. 2003. Expression vectors for studying cytoskeletal proteins in Dictyostelium discoideum. J Muscle Res Cell Motil 23: 605-611.

Krylyshkina O, Anderson KI, Kaverina I, Up-mann I, Manstein DJ, Small JV, Toomre DK. 2003. Nanometer targeting of microtubules to focal adhesions. J Cell Biol 161: 853-859.

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Reubold TF, Eschenburg S, Becker A, Kull FJ, Manstein DJ. 2003. A structural model for actin-induced nucleotide release in myosin. Nat Struct Biol 10: 826-830.

Rummel, A., Bade, S., Alves, J., Bigalke, H. & Binz, T. (2003) Two carbohydrate binding sites in the H(CC)-domain of tetanus neuro-toxin are required for toxicity. J. Mol. Biol. 326: 835-847.

Scheele U, Alves J, Frank R, Duwel M, Kalt-hoff C, Ungewickell E. 2003. Molecular and functional characterization of clathrin- and AP-2-binding determinants within a disorde-red domain of auxilin. J Biol Chem 278(28): 25357-25368.

Schlosser A, Klockow B, Manstein DJ, Leh-mann WD. 2003. Analysis of post-transla-tional modification and characterization of the domain structure of dynamin A from Dictyostelium discoideum. J Mass Spectrom 38(3): 277-282.

Witte G, Urbanke C, Curth U. 2003. DNA polymerase III chi subunit ties single-stran-ded DNA binding protein to the bacterial replication machinery. Nucleic Acids Res 31(15): 4434-4440.

Promotionen

Dipl. Biochem. Martin Haas, Universität Hannover 2003: „Kofaktoren von c-Myb“

Dipl. Chem. Imke Peters, Universität Hanno-ver 2003: „Veränderung der Sequenzspezifi-tät der Restriktionsendonuclease EcoRI“

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Institut für Klinische Biochemie

Leiter: Prof. Dr. med. S. Lenzen

Forschungsschwerpunkte

Die wissenschaftlichen Arbeiten im Berichtsjahr beschäftigen sich schwerpunktmäßig mit den Mechanismen der Beta-Zelltoxizität des Pankreas verschiedener diabetogener Substanzen, Hormone und Ernährungsbedingungen.

Mechanismen der selektiven Beta-Zell-Toxizität und Diabetogenität von Streptozotocin

und Alloxan

Streptozotocin und Alloxan sind die beiden wichtigen diabetogenen Substanzen in der expe-rimentellen Diabetologie, die nach Injektion durch selektive Zerstörung der Beta-Zellen der Langerhansschen Inseln des Pankreas einen experimentellen Diabetes bei Versuchstieren auslösen.

Mit der Veröffentlichung im Berichtszeitraum sind die über viele Jahre durchgeführten Untersuchungen zum Mechanismen der selektiven Beta-Zell-Toxizität und Diabetogenität ab-geschlossen. Es handelt sich bei beiden Substanzen um betazell-toxische Glucoseanaloga.

Der molekulare Mechanismus der selektiven Beta-Zell-Toxizität beider Substanzen, die erklärt, warum präferentiell die insulinproduzierenden Zellen des Pankreas zerstört werden, ist Folge einer selektiven Aufnahme der Substanzen durch den niedrigaffinen GLUT2 Gluco-setransporter. Nach Eintritt in die insulinproduzierenden Zellen verursachen Streptozotocin und Alloxan eine Zerstörung der Zellen durch unterschiedliche Mechanismen. Während das entscheidende Element der Toxizität von Streptozotocin die Alkylierung von DNA ist, bewirkt Alloxan durch Redoxcycling die Entstehung toxischer freier Sauerstoffradikale.

Der daraus resultierende Zelltod, der wie bei Chemikalientoxizität im allgemeinen, überwiegend durch Nekrose, und weniger durch Apoptose verursacht wird, führt zum Insulinmangel und somit zu einem insulinpflichtigen Diabetes mellitus. Es gibt erhebliche Speziesunterschiede hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber der betazell-toxischen Wir-kung dieser beiden Substanzen. Der wesentliche Grund dafür liegt im unterschiedlichen Ausmaß der Expression sowie in der unterschiedlichen Affinität des niedrigaffinen GLUT2 Glucosetransporters für diese beiden toxischen Glucoseanaloga. Damit ist der Mechanismus der selektiven Beta-Zelltoxizität dieser beiden wichtigsten diabetogenen Substanzen in der experimentellen Diabetologie aufgeklärt.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen schaffen auch einen Zugang zum besseren Ver-ständnis der Ätiopathogenese des insulinpflichtigen Diabetes Mellitus (Typ 1 Diabetes mel-litus; T1DM), der sich als Autoimmunerkrankung beim Menschen infolge einer selektiven Zerstörung der Beta-Zellen des Pankreas entwickelt. Dabei handelt es sich um eine zytokin-

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vermittelte Autoimmun-Zerstörung, deren mechanistische Aufklärung im Mittelpunkt der weiteren Forschung stehen wird.

Mitarbeiter: M. Elsner, M. Tiedge, S. Lenzen; Kooperationspartner: R. Munday (Ruakura Agricultural Centre, Hamilton, Neuseeland)

Mechanismen der Beta-Zell-Toxizität und Diabetogenität von Schilddrüsenhormonen

und Glucokortikoiden

Mitarbeiter: A. Jörns, H. M. Albuquerque Ximenes, M. Tiedge, S. Lenzen

Regulationsprinzipien und Bedeutung des Glucosesensors Glucokinase in

insulinproduzierenden Zellen des Pankreas und der Leber

Mitarbeiter: S. Baltrusch, F. Francini, M.L. Massa, S. Lenzen, M. Tiedge; Kooperationspart-ner: A. J. Lange, Department of Biochemistry, Molecular Biology and Biophysics, University of Minnesota, Minneapolis, USA; D.A. Okar, VA Medical Center, Minneapolis, USA

Biochemische, morphologische, immunologische und genetische Charakterisierung der

LEW.1AR1/Ztm-iddm Ratte, ein neues Tiermodell des Typ 1 Diabetes mellitus

Mitarbeiter: M. H. Weiss, M. Elsner, S. Lortz, M. Tiedge, A. Jörns, S. Lenzen ; Kooperati-onspartner: H.J. Hedrich, D. Wedekind, (Institut für Versuchstierkunde der MHH); G. Klöppel (Institut für Pathologie der Universität Kiel)

Die Bedeutung von freien Radikalen für die Toxizität von Zytokinen und Mechanismen

der Zytoprotektion insulinproduzierender Zellen

Mitarbeiter: S. Lortz, A.K. Azevedo Martins, K. L. Araujo Souza, E.Z. Gurgul, M. Elsner, A. Jörns, S. Lenzen, M. Tiedge; Kooperationspartner: D. L. Eizirik, Laboratory of Experimen-tal Medicine, Free University Brussels, Brüssel, Belgien; I.C. Green, Dept of Pharmacy and Biomolecular Sciences, University of Brighton, Brighton, England

Gentherapie des Diabetes mellitus durch Etablierung einer extrapankreatischen

Insulinersatzproduktion

Mitarbeiter: M. Elsner, M. Tiedge, S. Lenzen

Bioengineering von Pankreasinsel-Mikroorganen aus differenzierten embryonalen

Stammzellen zur Insulinersatztherapie des Diabetes mellitus

Mitarbeiter: O. Naujok, M. Elsner, M. Tiedge, A. Jörns, S. Lenzen; Drittmittelgeber: Deut-sche Forschungsgemeinschaft (DFG) incl. Graduiertenkolleg 705, Niedersächsisches Ministeri-um für Wissenschaft und Kultur (MWK), Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMBF), Kommission der Europäischen Union, Brüssel, National Institutes of Health (NIH), Bethesda, Die Stiftung „Das zuckerkranke Kind“ in der Deutschen Diabetes-Stiftung, Juve-nile Diabetes Foundation International (JDRF), New York, Deutsche Diabetes-Gesellschaft,

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Europäische Diabetesgesellschaft (EASD), Alexander-von-Humboldt-Stiftung (AvH), Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), Hochschulinterne Leistungsförderung der MHH (HiLF Programm).

Originalartikel

Azevedo-Martins, AK, Lortz, S, Curi, R, Lenzen, S, Eizirik, DL, Tiedge, M: Impro-vement of the mitochondrial antioxidant defense status prevents cytokine-induced NF-?B activation in insulin-producing cells. Diabetes 52, 93-101, 2003.

Elsner, M, Tiedge, M, Lenzen, S: Mechanism underlying resistance of human pancreatic beta cells against toxicity of streptozotocin and alloxan. Diabetologia, 46, 1713-1714, 2003.

Litmathe, J, Bektas, H, Jörns, A, Klempnauer J: Time frame of pancreas allograft rejection: An immunogenetic analysis in MHC-dispa-rate, presensitized inbred rat strains. Trans-plant Proc 35, 3147-3152, 2003.

Lortz, S, Tiedge, M: Sequential inactivation of reactive oxygen species by combined ove-rexpression of sod isoforms and catalase in insulin-producing cells. Free Rad Biol Med 34, 683-688, 2003.

Sigfrid, LA, Cunningham, JM, Beeharry, N, Lortz S, Tiedge, M, Lenzen, S, Carlsson ,C, Green, IC: Cytokines and nitric oxide inhibit enzyme activity of catalase but not its prote-in or mRNA expression in insulin-producing cells. J Mol Endocr 509-518, 2003.

Übersichtsartikel

Tiedge M: Betazell-Zerstörung im Autoim-mundiabetes. Zytokine, freie Radikale und

die Schwäche, sich dagegen zu wehren. Dia-betes und Stoffwechsel 12, 189-193, 2003.

Tiedge, M: Reif für die Insel ? Diabetes Congress-Report, Kirchheim Verlag, Mainz, pp 42-44, 2003.

Buchbeiträge

Lenzen, S: Gentherapie. In: Pschyrembel Wörterbuch Diabetologie, in: Scherbaum WA (Ed). Walter de Gruyter Verlag, Berlin-New York, pp. 78-80, 2003.

Abstracts


Promotionen

Guldbakke, B (Dr. med.): Mechanismus der diabetogenen Wirkungsweise von Streptozo-tocin und Alloxan.

Wissenschaftspreise

Tiedge, M: „Ferdinand-Bertram-Preis“ 2003 der Deutschen Diabetes-Gesellschaft für hervorragende wegweisende wissen-schaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Diabetologie.

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Abteilung Zelluläre Chemie

Leiterin: Prof. Dr. rer. nat. Rita Gerardy-Schahn


Die wissenschaftlichen Themen meiner Gruppe werden durch das Interesse an der Biosynthese und Funktion zellulärer Glycoconjugate gebündelt. Als Glycocalyx (über Proteine und Lipide gebunden) bilden die Zucker den äußeren Saum der tierischen Zelle. Angenäherte Rechungen haben gezeigt, dass mehr als 70% aller Proteine glycosyliert sind und, dass ein Großteil unserer genetischen Information (ca. 10%) an der Ausbildung und Regulation des Glycoms beteiligt ist. Diese Zahlen belegen für sich die Bedeutung der zellulären Glycosylierungswege und erfahren eindrucksvolle Bestätigung durch die Schwere der Krankheitsbilder im Komplex der Congenital Disorders of Glycosylation (CDG). CDGs sind sehr seltene, multisystemische Erkrankungen. In allen Fällen treten schwere neuronale Entwicklungsstörungen auf.

Beim Studium der Glycosylierung ergibt sich die besondere Problematik, dass die Bio-synthese der Glycane im Gegensatz zur Biosynthese anderer Biopolymere (DNA/RNA und Proteine) nicht die komplementäre Übersetzung einer linearen Matrize ist. Das Glycom ist im wesentlichen das Ergebnis der spezifischen Ausstattung der Zelle mit Glycosyltransferasen und Glycosidasen. Glycosylierungsmuster werden aber zusätzlich durch Protein- und Lipid-inhärente Faktoren gesteuert. Die Komplexität der Glycosylierungswege wird vermutlich von keinem anderen zellulären System erreicht.

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Darstellung der zellulären Glycosylierungswe-ge. Eine Reihe von Schlüsselenzymen in den Glycosylierungswegen der tierischen Zelle und pathogener Bakterien wurde kloniert. Die Juniorprofessorin Frau Prof. F. Routier fokussiert ihr Arbeiten auf die Klonierung der entsprechenden Faktoren aus niederen Eukaryonten (z.B. pathogenen Protozoen und Pilze). Die Verfügbarkeit der Gene bestimmt die Richtung unserer heutigen Arbeiten. Wir nutzen molekularbiologische, biochemische, proteinchemische (inklusive Proteinkristallisation) und immunologische Methoden, um Struktur-Funktions-zusammenhänge aufzuklären. Wir nutzen genetische Ansätze (zellulär und systemisch), um die physiologischen Funktionen der klonierten Faktoren kennen zu lernen. Schließlich besteht ein wichtiges Ziel unserer Arbeit im Aufbau biotechnologisch nutzbarer Systeme (z.B. Humanisierung der Glycosylierungskompetenzen von Insekten- und Pflanzenzellen).

Forschungsprojekte

Die Synthese von Zuckernucleotiden oder die Suche nach dem kleinen Unterschied

Leben ist möglich, weil die (chemischen) Prozesse, die das Leben steuern, geordnet und kontrollierbar ablaufen. Dies wiederum bedingt, dass die Prozesse des Lebens nicht freiwillig


ablaufen, denn die effiziente Steuerung einer (bio)chemischen Reaktion (hier können durchaus mehrere Reaktionsschritte innerhalb eines Weges zusammengefasst werden) verlangt die Ent-fernung vom thermodynamischen Gleichgewicht. Dieses in der Natur generell verwirklichte Prinzip wird in der Zelle - vor allem in der eukaryontischen Zelle - durch eine Vielzahl weite-rer Steuerungsprinzipien ergänzt. Der räumlichen Trennung von Stoffwechselwegen durch die Kompartimentierung der Zelle kommt in diesem Zusammenhang besondere Bedeutung zu. Am Beispiel der Biosynthese von Glycoconjugaten, lässt sich beispielhaft darstellen, mit welchem „Energieeinsatz“ die Zelle die Aufrechterhaltung dieser Ordnung betreibt.

Der Aufbau fast aller Glycoconjugate (Glycoproteine und Glycolipide) vollzieht sich im Innenraum von ER und Golgi Apparat. Die Biosynthese der Bausteine, Zuckermonomere, ist dagegen eine Leistung, die im Zytoplasma angesiedelt ist. Damit ist klar, dass Transportsysteme existieren müssen, die die Membranbarriere überwinden und die Bereitstellung der Zucker am Ort der Glycansynthese übernehmen. Dieser Transport per se stellt eine Reihe hoch komplexer Vorgänge dar und wird in ER und Golgi durch partiell unterschiedliche Systeme gewährleistet. Gemeinsam ist diesen Transportsystemen jedoch, dass sie die Zucker nur dann erkennen und transportieren, wenn diese in energiereichen Formen, als Nukleotid-Zucker, präsentiert werden. D.h. der Energieeintrag, der den Zuckern den Zugang zu den Biosyn-thesewegen öffnet, erfolgt bereits im Zytoplasma. Verantwortlich für diese Aktivierung ist eine Gruppe von Enzymen, die, nach ihren Reaktionsmechanismen, als Pyrophosphorylasen bezeichnet werden. Die Pyrophosphorylasen zeigen eine ausgesprochen hohe Spezifität für ihre Substrate (Monosaccharide und Nucleotidtriphosphate). Die Mehrzahl der Zucker wird zu UDP-Monosacchariden aktiviert (z.B. Glucose, Galactose, N-Acetyl-Glucosamin, Xylose, u.a.). Fructose und Mannose werden als GDP-Monosaccharide aktiviert. Monosaccharide mit Carboxylatfunktionen in Position 1 wie z.B. die Sialinsäuren oder der in pflanzlichen und bakteriellen Glycoconjugaten sehr häufige Zucker KDO (3-deoxy-D-manno-octulosonate), werden über CMP aktiviert. Die Art der Aktivierung von Monosacchariden (d.h. die Form des aktivierten Zuckernucleotids) stellt einen evolutionär strickt konservierten Vorgang dar. Ausnahmen von der Regel sind bislang nicht bekannt. Entsprechend wird verständlich, dass die Pyrophosphorylasen ebenfalls eine Gruppe von evolutionär hoch konservierten Enzymen darstellen. Dieses Faktum hat die Pyrophosphorylasen im Bereich der Phylogenie zu begehrten Studienobjekten gemacht. Für den medizinisch angewandt orientieren Forscher erwächst aus dieser Situation, jedoch ein wesentliches Problem, denn, während die zentrale Stellung in den für alle Organismen essentiellen Glycosylierungswegen und die leichte Zugänglichkeit im Zytoplasma, die Pyrophosphorylasen zu hoch interessanten Zielstrukturen für den thera-peutischen Angriff machen (z.B. bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten), so steht die enge Verwandtschaft zwischen Erreger- und Wirtsenzym dieser Verwendung entgegen. Die Suche nach dem kleinen, entscheidenden Unterschied bedeutet somit die große Heraus-forderung in diesem rasch wachsenden Forschungsgebiet.

In meinem Labor wurden zwei wichtige Pyrophosphorylasen erstmals kloniert und befinden sich im Sinne der obigen Beschreibung in der Feinanalyse hinsichtlich Struktur,

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Funktion und physiologischer Relevanz. Bei den isolierten Enzymen handelt es sich um das Sialinsäure-aktivierende Enzym (CMP-Sialinsäure-Synthetase) aus der Maus und um das Glucose-aktivierende Enzym (UDP-Glucose Pyrophosphorylase) aus Leishmania major. Da beide Enzyme, wie erwartet, hohe evolutionäre Konservierung zeigten, war die Isolierung homologer Sequenzen aus unterschiedlichen Spezies möglich und damit die Basis für den detaillierten Vergleich ähnlicher Enzyme gelegt. Besondere Bedeutung kommt in den verglei-chenden Studien der Dissoziation von Unterschieden zwischen den Wirtsenzymen (Säuger)

Abb. 1: (A) Darstellung der Kristallstruktur der katalytischen Domäne (Aminosäuren 39-267) der murinen CMP-Sialinsäure-Synthetase. In der asymmetrischen Einheit des Kristalls findet sich ein Tetramer (Untereinheiten A – D). Das aktive Enzym ist jedoch das lateral organisierte Dimer (A/B und C/D), welches, über hydrophobe und ionische Wechselwirkungen, zum Tetramer dimerisiert. Im Kristall war pro Monomer ein Produktmolekül sichtbar. (B) Das katalytische Zentrum in Gegenwart des Produkts (rot) ist vergrößert dargestellt. Aus dieser Abbildung wird deutlich, dass an der Ausbildung des aktiven Zentrums zwei Untereinheiten beteiligt sind. Die Bindung des Nucleotids (CMP) erfolgt über die hydrophobe Tasche im Zentrum von Monomer A (gelb), während der Zucker Kontakte zu Monomer B (blau) ausbildet. Die an der Dimerisierung des Moleküls beteiligten Reste sind damit Teil der katalytischen Zentren.

und den Enzymen in pathophysiologisch relevanten Keimen (Neisseria menigitidis im Falle der CMP-Sialinsäure-Synthetase und Leishmania major im Falle der UDP-Glucose Pyrophos-phorylase) zu. Methodisch wird auf beiden Teilgebieten identisch vorgegangen:1. Über genetische Ansätze „knock-out, knock-down und knock-in Strategien“ wird die phy-

siologische Bedeutung der Enzyme auf Wirts- und Pathogenebene analysiert. 2. Über heterologe, komplementierende Ansätze werden die Funktionsspektren der Enzyme

in den relevanten Systemen verglichen. 3. Über die rekombinante Herstellung der Proteine, die Kristallisation und moderne kinetische

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Analyseverfahren werden molekulare Details der Funktionsmechanismen sichtbar gemacht und

4. über gerichtete Mutagenese und die Verwendung von ausgedehnten Substratbanken (Ban-ken von Derivaten der Glucose und Sialinsäure, die von Prof. Mark von Itzstein, Institute for Glycomics, Griffith University, Gold Coast, Australien, zur Verfügung gestellt werden) in kinetischen Studien unterstützt. In Kooperation mit dem Labor von Itzstein wird die Methode der saturation transfer difference nuclear magnetic resonance für kinetische Analysen und die Durchführung von Bindungsstudien eingesetzt.

Die Arbeiten sind im Bereich der CMP-Sialinsäure Synthetase weit vorangeschritten. Konventionelle und konditionelle Mausmodelle wurden etabliert, ein Bakterienstamm mit inaktivierter CMP-Sialinsäure Synthetase wurde isoliert, und die Kristallstruktur des murinen Enzyms wurde gelöst (Fig.1). Die systemischen und zellulären Modelle stehen zur Analyse an. Die vergleichende Analyse der CMP-Sialinsäure-Synthetasen aus unterschiedlichen Spe-zies (Maus, Regenbogenforelle, Neisseria menigitidis Serogruppe B) hat dabei erstaunliche Substratspezifitäten hervorgebracht und so den Beweis geliefert, dass kleine Unterschiede entscheidend sein können. Trotz ausgeprägter Konservierung auf Primärstukturebene zeigt das aus der Regenbogenforelle isolierte Enzym eine deutlich niedrigere Substratspezifität als das murine Enzym. Für Letzteres konnte bislang nur ein einziges Substrat die 5-N-Acetyl-sialinsäure identifiziert werden. Diese ausgeprägte Substratspezifität erklärt auch, warum im Säugetier mit >95 % 5-N-Acetylsialinsäure gefunden wird. Andere Organismen, wie z.B. Fische, niedere Eukaryonten (Echinodermata) und Bakterien zeigen diesbezüglich wesentlich mehr Erfindungsreichtum. Insgesamt wurden aus natürlichen Quellen 50 Derivate der Sialin-säure identifiziert. Interessanterweise zeigte der Aktivitätsvergleich zwischen dem Fisch und Neisserien Enzym, dass trotz deutlich niedrigerer Primärstrukturkonservierung weitgehend überlappende Substratspezifitäten auftreten. Die unterschiedlichen Zuckerderivate werden allerdings mit sehr unterschiedlichen Affinitäten umgesetzt.

Auf der Basis der bislang vorliegenden Daten zu Struktur-Funktionszusammenhängen von CMP-Sialinsäure Synthetasen besteht ein wichtiges Ziel im Design von Inhibitoren die hoch spezifisch die bakteriellen Formen der Enzyme blockieren.

Ausgeprägt ist auch die Ähnlichkeiten im Bereich der UDP-Glucose Pyrophosphorylasen. Die aus Leishmania major und Mensch isolierten Enzyme besitzen hoch konserviert Bereiche, die wie erste Mutagenesestudien gezeigt haben, essentiell für die Funktion der Enzyme sind. Dennoch konnten wir in ersten kinetischen Analysen den Nachweis führen, dass auch hier hoffnungsvolle Unterschiede existieren. Zur Evaluation der UDP-Glucose Pyrophosphorylase als Zielstruktur in therapeutischen Ansätzen, muss jedoch zunächst der Nachweis erbracht werden, dass dieses Enzym eine bedeutende Rolle im Lebens- bzw. Infektionszyklus von Leish-mania major spielt. Die Arbeiten in diesem Bereich konzentrieren sich daher hauptsächlich auf die Inaktivierung dieses Gens in Leishmania. Die Inaktivierung soll über homologe Rekombi-nation erfolgen und wird in Kooperation mit Dr. Martin Wiese am Bernhard-Nocht-Institut, Hamburg, durchgeführt. Darüber hinaus wurde das rekombinante Protein hergestellt und

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zur Zeit in Kristallisationsexperimenten eingesetzt (Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Huber, MPI für Biochemie, Martinsried). Diese in den Bereich der Parasitologie reichende Arbeit stellt ein Verbundprojekt mit der Frau Prof. Routier dar.

Mitarbeiter: Dr. rer. nat. Anja-K. Münster-Kühnel / Dr. Joe Tiralongo (Struktur-Funktion), Dr. rer. nat. Birgit Weinhold (Genetik)


Der Golgi-Transport von Zuckernucleotiden

Prof. Rita Gerardy-Schahn; Förderung: DFG

Die Katalyse der Sialyltransferasen und Polysialyltransferasen

Prof. Rita Gerardy-Schahn; Förderung: DFG

Charakterisierung der Glykosylierungseigenschaften der Polysialyltransferasen ST8SiaII

und ST8SiaIV

Dr. Martina Mühlenhoff

Regulation of Growth and Metastatic Potential of Neuroblastoma by Expression and

Modification of the Neural Cell Adhesion Molecule (NCAM)

Dr. Martina Mühlenhoff ist Koordinatorin des Verbundprojekts, an dem vier Nachwuchs-gruppen beteiligt sind (Prof. Dr. Sylvia Glüer, Kinderchirurgie, MHH; PD Dr. Ulrich Lehmann, Pathologie, MHH; PD Dr. Herbert Hildebrandt Institut für Zoologie, Hohenheim); Förderung: Deutsche Krebshilfe

Klonierung und funktionelle Charakterisierung von Zuckernucleotid Transportern,

Darstellung einer neuen Molekülklasse zur Modulation der mukosalen Oberflächene

igenschaften.

Dr. Hans Bakker; Förderung: DFG im Rahmen des Graduiertenkollegs 745 „Mukosale Erreger-Wirt-Interaktionen“.

Aufbau säugetierähnlicher Glycosylierungswege in biotechnologisch relevanten

Insektenzellen

Dr. med. vet. Valentina Ritz-Sedlacek; Förderung: HiLF

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Mühlenhoff M, Stummeyer K, Grove M, Sau-erborn, M, Gerardy-Schahn, R. Proteolytic processing and oligomerisation of bacterio-phage-derived endosialidases. J Biol Chem. 2003; 278:12634-44.

Wuhrer M, Geyer H, von der Ohe M, Gerardy-Schahn R, Schachner M, Geyer R. Localization of defined carbohydrate epitopes in bovine polysialylated NCAM. Biochimie 2003; 85:207-18.

Seidenfaden R, Krauter A, Schertzinger F, Gerardy-Schahn R, Hildebrandt H. Polysialic acid directs tumor cell growth by controlling heterophilic NCAM interactions. Mol. Cell. Biol. 2003; 23:5908-18.

Krapp S, Münster-Kühnel AK, Kaiser JT, Hu-ber R, Tiralongo J, Gerardy-Schahn R, Jacob U. The crystal structure of murine CMP-5-N-Acetylneuraminic acid synthetase. J. Mol. Biol. 2003; 334:625-37.

Ritz V, Alfalah M, Zimmer KP, Schmitz J, Ja-cob R, Naim HY. Congenital sucrase-isomal-tase deficiency because of an accumulation of the mutant enzyme in the endoplasmic recticulum. Gastroenterology 2003; 125:1678-85.

Tiralongo E, Martensen I, Grötzinger J, Tiralongo J, Schauer R.. Trans-sialidase-like sequences from Trypanosoma congolense conserve most of the critical active site residues found in other trans-sialidases. Biol Chem. 2003 Aug;384(8):1203-13.

Tiralongo E, Schrader S, Lange H, Lemke H, Tiralongo J, Schauer R.Two trans-sialidase forms with different sialic acid transfer and

sialidase activities from Trypanosoma congo-lense. J Biol. Chem. 2003; 278:23301-10.

Publizierte Abstracts:


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INNERE MEDIZIN

Rheumatologie

Direktor: Prof. Dr. med. H. Zeidler


Das Forschungsprofil der Abteilung Rheumatologie ist gekennzeichnet durch ein breites Spektrum, das von der Aetiopathogeneseforschung und klinischen Forschung (Diagnostik, Therapie, Prognoseindikatoren) bis hin zum Qualitätsmanagement der rheumatologischen Ver-sorgung sowie gesundheitsökonomischen Analysen rheumatischer Erkrankungen reicht.

Die Pathogeneseforschung ist auf den Bereich der Spondarthritiden und reaktiven Arth-ritiden unter besonderer Berücksichtigung der Chlamydien-induzierten Arthritis fokussiert. Die Chlamydien-induzierte Arthritis gehört zu den wenigen rheumatischen Erkrankungen, bei der der Auslöser der Erkrankung identifiziert wurde. Die Untersuchung der Wirtszell-Erreger-Interaktion bietet grosse Chancen einer ursächlichen Therapie. Die Diagnose re-aktiver und undifferenzierter Arthritiden wurde durch unsere Arbeiten zur Optimierung und Weiterentwicklung moderner molekulabiologischer Verfahren verbessert. Ziel dieser Arbeiten ist die Etablierung einer kommerziell verfügbaren Routinediagnostik. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte erstmals Chlamydia pneumoniae als möglicher Auslöser einer Vaskulitis, der Riesenzell-Arteriitis identifiziert werden.

Es besteht eine intensive Beteiligung an nationalen und internationalen multizentrischen Studien zur Verbesserung der Therapie der chronischen Polyarthritis und Spondarthritiden mit Basistherapeutika, Biologicals (z.B. Anti-TNF-Substanzen) und COX-2-Inhibitoren.

Zur Umsetzung der Ergebnisse aus den Bereichen Pathogeneseforschung und klinischer Studien engagiert sich die Abteilung auch intensiv in der Versorgungsforschung. Hierzu zäh-len die Entwicklung eines bundesweit ersten Qualitätsmanagements in der Rheumatologie sowie eingehende gesundheitsökonomische Analysen der durch rheumatische Erkrankungen verursachte Kosten.

Aufgrund der Intensität und der Breite der Forschung ist die Abteilung national eine tragende Gruppe des vom BMBF geförderten Kompetenznetzes Rheuma. Herr Prof. Dr. Zeidler gehört seit 1999 dem Sprechergremium an und ist von 2002 bis 2003 Sprecher des Kompetenznetzes Rheuma.International bestehen zahlreiche Kooperationen im Bereich der Aetiopatho-geneseforschung und klinischen Forschung der reaktiven Arthritiden und Spondarthritiden.


INNERE MEDIZIN

Forschungsprojekte

Verwendung cDNA-basierter Microarrays zur Identifizierung pathogenetischer

Kandidatengene in nadelarthroskopisch gewonnenen Synovialisbiospien von Patienten

mit Spondyloarthritiden

Microarrays werden immer häufiger für komplexe Genexpressionsanalysen von verschie-densten Zellen oder Geweben eingesetzt. Die Methode ermöglicht die simultane Messung hunderter oder tausender mRNA-Transkripte und generiert eine grosse Menge an Daten in nur einem Experiment. Das Potenzial der Microarrays liegt in der Identifizierung völlig unerwarteter differenziell exprimierter Gene. Auf diese Weise können neue Hypothesen generiert werden. Obwohl die Methode in zahlreichen Labors Anwendung findet, gibt es bislang wenig Daten zur technischen Validierung dieses Verfahrens. Besondere Schwierig-keiten ergeben sich dann, wenn wenig Probenmaterial und damit nur geringe Mengen an Gesamt-RNA zur Verfügung stehen.

Die Synovialmembran ist eine der relevanten Zielstrukturen zur Untersuchung und Iden-tifizierung pathogenetischer Mediatoren im entzündeten Gelenk. In Zusammenarbeit mit der Universitätsklinik Gent (Universität Gent/Belgien, Prof. Dr. D. Baeten) und der Universität von Californien in Los Angeles (UCLA, Prof. Dr. David Yu) haben wir nadelarthroskopisch gewonnene Synovialisbiopsien der Kniegelenke von Patienten mit Spondyloarthritis (SpA) und Osteoarthrose (OA) mit einer 1,200 Gen-spezifische cDNAs enthaltenden Nylonmembran (Human Atlas 1.2 I Array, Clontech) untersucht. Im Rahmen dieser Arbeiten haben wir neben der Reproduzierbarkeit der Methode nach hochregulierten, pathogenetisch bedeutsamen Ge-nen der entzündlich veränderten Synovialis gesucht. Es gelang die Identifikation einer Gruppe von Genen bzw. Proteinen, die in der peripheren Arthritis der SpA bislang nicht beschrieben sind: Neurotrophine. Dabei handelt es sich um eine Familie von 4 homologen Wachstums-faktoren, die im einzelnen als nerve growth factor (NGF), brain-derived neurotrophic factor (BDNF) sowie neurotrophin-3 (NT-3) und neurotrophin-4 (NT-4) bezeichnet werden. Sie übernehmen im zentralen und peripheren Nervensystem wichtige Aufgaben, zu denen die Regulation des Wachstums und die Differenzierung von Neuronen gehören. Jüngere Studien weisen die Expression der Neurotrophine u.a. auch in verschiedenen Zellen des Blutes, der Haut, in der Muskulatur und in den Ovarien nach. Pro-inflammatorische Funktionen der Neurotrophine sind für allergische Atemwegserkrankungen belegt. Der Ligand NGF bindet mit hoher Affinität an den spezifischen Tyrosinkinase-Rezeptor trkA, alle 4 Neurotrophine binden an den niedrig-affinen NGF-Rezeptor p75 (NGFRp75).

Zur Erweiterung des Verständnisses der Rolle der Neurotrophine und ihrer Rezeptoren im entzündlich veränderten Gelenk wurden die Neurotrophine mit einem ELISA auch in der Synovialflüssigkeit von insgesamt 40 Patienten (15 Patienten mit SpA, 15 mit rheumatoider Artritis [RA] und 10 Patienten mit Osteoarthrose) gemessen. Dabei fand sich der Faktor BDNF in z.T. hohen Konzentrationen in 11/15 (73%) der SpA- und in 8/15 (53%) der RA- und nur in 2/8 (25%) der OA-Patienten. In nur einem kleinen Teil der SpA- und RA-Patienten waren


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geringe Mengen an NGF, NT-3 und NT-4 detektierbar. Diese drei Neurotrophine waren jedoch in keinem der OA-Patienten nachweisbar. BDNF war in der SpA-Gruppe höher als bei den OA-Patienten (p=0,025) und korrelierte mit der Anzahl der geschwollenen Gelenke dieser Patienten (r=0,88, p<0,01).

Der hoch-affine trkA-Rezeptor und der niedrig-affine NGFRp75-Rezeptor wurden mit Im-munhistochemie in der Synovialis dieser 40 Patienten nachgewiesen. In der subsynovialen Deckzellschicht („sublining layer“) war die Immunreaktivität von trkA, gemessen auf einer semiquantitativen Skala von 0-3, in der SpA- und RA-Gruppe stärker als in der OA-Gruppe. NGFRp75 liess sich im Gegensatz zu trkA nicht in der synovialen Deckzellschicht („lining layer“) nachweisen (Abbildung 3a-d).

Abb. 3a-d: Synovialgewebsschnitte mit starker Immunreaktivität (braun-rote Färbung, siehe schwarze Pfeile in Abb. 3a und c) von trkA in der synovialen und subsynovialen Deckzellschicht (lining und sublining layer) von Patienten mit undiffe-renzierter SpA (3a) und Arthritis psoriatica (3b). NGFRp75 lässt sich nur in der subsynovialen Deckzellschicht anfärben (3c, Patient mit Spondylitis ankylosans). Eine deutlich schwächere Anfärbung von trkA in der synovialen Deckzellschicht findet sich bei OA-Patienten (3d).

Die Immunreaktivität von trkA in der subsynovialen Deckzellschicht korrelierte mit der Anzahl der CD3+ Zellen bei Patienten mit SpA (r=0,56; p=0,047) und RA (r=0,58; p=0,029). In der RA-Gruppe fand sich eine Korrelation von NGFRp75 mit den Werten für den Entzün-dungsmarker CRP im Serum (r=0,61; p=0,036).

Der Nachweis von Neurotrophinen in der Synovia und ihrer Rezeptoren in der Synovialis von Patienten mit entzündlichen Gelenkerkrankungen und die beschriebene Korrelation mit Parametern der Entzündungsaktivität weist auf eine pathogenetische Rolle dieser Mediatoren


hin. Denkbar ist die Amplifikation pro-inflammatorischer Signale bei der Aktivierung von proliferierenden Lymphozyten und Monozyten in parakriner oder autokriner Weise.

Gefördert durch die DFG (RI 1119/1-1) und das Kompetenznetz Rheumatologie


Pathomechanismen der Persistenz reaktiver Arthritis auslösender Erreger

Projektleitung: PD Dr. L. Köhler, Förderung: BMBF

Molekulare Pathogenese chlamydialer Erkrankungen mit Manifestation am

Bewegungssystem, den Gefäßen und den Inneren Organen

Projektleitung: PD Dr. L. Köhler, Förderung: HiLF II-Programm der MHH, Rheumafor-schungsverbund der MHH

Molecular genetics and immunogenetics of ankylosing spondylitis and other

spondylarthropathies (EUROAS)

Projektleitung: PD Dr. J.G. Kuipers, Prof. Dr. H. Zeidler, Förderung: Europäische Gemein-schaft, Quality of life and resources

Entwicklung standardisierter und hochsensitiver Verfahren für den intraartikulären

Erregernachweis aus Synovia und Synovialis zur optimierten Diagnostik reaktiver

Arthritiden für die rheumatologische Praxis

Projektleitung: PD Dr. J. G. Kuipers, Förderung: BMBF

Entwicklung universeller PCR zum intraartikulären Erregernachweis

Projektleitung: Dr. J.G. Kuipers, Prof. Dr. H. Zeidler, Förderung: Niedersächsisches Wirt-schaftsministerium

Evaluierung von Borrelia burgdorferi und Chlamydia trachomatis-spezifischen

molekularbiologischen Nachweisverfahren

Projektleitung: PD Dr. J.G. Kuipers, Prof. Dr. H. Zeidler, Förderung: Milenia

Durchflusszytometrische Analyse con Chlamydia trachomatis-infizierten Wirtszellen

Projektleitung: K. Schnitger, Förderung: BMBF

Die Bedeutung der dendritischen Zelle in der Arteriitis temporalis und ihre spezifische

Funktion bei der Infektion mit Chlamydia pneumoniae

Projektleitung: Dr. A. D. Wagner, Förderung: DFG WA 747/4-1, Dr.-Liesel-Keinath-Stif-tung

INNERE MEDIZIN


Einfluss der a-Interferon Behandlung auf die extrahepatischen Manifestationen der

Hepatitis C-Virusinfektion

Projektleitung: Dr. M. Jendro, Dr. J.L. Hülsemann, Prof. Dr. H. Zeidler, Förderung: BMBF

Schnittstellen teilstationärer orthopädisch-rheumatologischer Rehabilitation:

Vernetzung mit beruflicher Rehabilitation und Nachsorge

Projektleitung: Prof. Dr. W. Mau, Prof. Dr. H. Zeidler, Förderung: Landesversicherungs-anstalt Hannover

Koordinationsstelle Hannover im Kompetenznetz Rheuma

Projektleitung: Dr. S. Schnarr, Förderung: BMBF

Qualitätsmanagement in der Rheumatologie am Modellbeispiel der chronischen

Polyarthritis

Projektleitung: Dr. J.L. Hülsemann, Förderung: AOK Niedersachsen, KV Niedersachsen

Kerndokumentation entzündlich-rheumatischer Erkrankungen.

Projektleitung: Dr. J.L. Hülsemann, Förderung: BMBF

In 2003 Durchführung/Teilnahme an 8 klinischen Multicenterstudien

6 Studien zur TNF a-Blockade bei chronischer Polyarthritis und bei Spondylitis ankylosans Projektleitung: Dr. S. Schnarr; Endothelin-Antagonisten bei sekundärer pulmonal arteri-

eller Hypertonie, Projektleitung: Dr. S. Schnarr; Cyclooxygenase-2 spezifische Inhibitoren bei chronischer Polyarthritis, Projektleitung: Dr. S. Schnarr

In 2003 Teilnahme an 4 Anwendungsbeobachtungen/Beobachtungsstudien

3 Beobachtungen zur TNFa-Blockade bei chronischer Polyarthritis und Spondylitis ankylo-sans1 Studie zum Screening auf pulmonal arterielle Hypertonie bei Systemischer Sklerose, Pro-jektleitung: Dr. S. Schnarr

Projekte ohne externe Förderung

Vitalität und Genexpression während persistierender Chlamydia trachomatis Infektion,Projektleitung: Dr. J. Freise, PD Dr. J. G. KuipersZytokin-Induktion durch Chlamydia trachomatis im Vollblut, Projektleitung: Dr. J. Freise, PD Dr. J. G. KuipersSerologischer Nachweis von humanem und chlamydialem Heat Shock Protein, Projektleitung: Dr. J. Freise, Dr. A. D. Wagner

INNERE MEDIZIN



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Abstracts

2003 wurden 45 Abstracts veröffentlicht.

Habilitationen, Promotionen

Dipl.Biol. Birgit Krauße-Opatz (Dr. rer. nat): Mechanismen der Persistenz von Chlamydia trachomatis und Chlamydophila pneumoniae in humanen monozytären und epithelialen Zellen

Frau Ulrike Wittkop (Dipl.-Biol): Chlamydia pneumoniae-Infektion in humanen aus Mo-nozyten generierten dendritischen Zellen

Zeidler H, Bolten WW, Frölich JC. Defizi-te in der Behandlung muskuloskeletaler Schmerzpatienten: Erhebung an einer deutschen Population. Med Klin 2003; 98, Abstract-Band I: 116.

Yu D, Kuipers JG. Role of bacteria an d HLA-B27 in the pathogenesis of reactive arthritis. Rheum Dis Clin North America 2003: 29: 21-36.

Buchbeiträge, Monographien

Grifka J, Müller-Ladner U, Zeidler H (Hrsg.). Qualitätssicherung durch Wissenstransfer und Öffentlichkeitsarbeit. Workshop der Arbeitsgemeinschaft Regionaler Kooperativer Rheumazentren und des Kompetenznetzes Rheuma. Z Rheumatol 2003; 62 Suppl. 2: II/I –56.

Hammer M, Zeidler H. Chronische Polyarth-ritis (rheumatoide Arthritis). In: Domaschke W, Hohenberger W, Meinertz T, Possinger K, Reinhardt D, Tölle R (Hrsg.). Therapiehand-buch, Sonderdruck, Urban & Schwarzenberg, München 2003, N2-1 bis 31.

Hülsemann JL, Zeidler H. Undifferenzierte Arthritiden, Spondarthritiden und entzünd-lich-systemische Bindegewebserkrankungen (Überlappungssyndrome). In: Domaschke W, Hohenberger W, Meinertz T, Possinger K, Reinhardt D, Tölle R (Hrsg.). Therapiehand-buch, Sonderdruck, Urban & Schwarzenberg, München 2003, N10-1 bis 4.

Hülsemann JL, Mattussek S, Hennig H, Stucki G. Das Qualitätsmanagement der Therapie der chronischen Polyarthritis in der rheumatologischen Praxis. Z ärztl Fortbil Qualsich 2003; 97:383-390.

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Abteilung Nephrologie

Direktor: Prof. Dr. H. Haller

Erythropoietin – mehr als nur Anämiekorrektur? Hohe kardiovaskuläre Mortalität - ein

gravierendes Problem nierenkranker Patienten

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind die wichtigste Ursache für die hohe Morbidität und Mortalität bei nierenkranken Patienten. Epidemiologische Daten aus dem European Registry of Patients on Renal Replacement Therapy (EDTA) und dem United States Renal Data System (USRDS) belegen, dass kardiovaskuläre Komplikationen auf dem Boden einer chronischen Atherosklerose, wie z.B. Herzinfarkt oder Schlaganfall, für etwa 50% aller Todesfälle bei Pa-tienten mit terminaler Niereninsuffizienz verantwortlich sind. Die geschätzte Mortalität bei dialysepflichtigen Patienten liegt demnach etwa 3,5 bis 100fach über der kardiovaskulären Sterblichkeit der Allgemeinbevölkerung. Dieses hohe Risiko liegt allerdings bereits weit vor dem Stadium der dialysepflichtigen Niereninsuffizienz vor, und scheint weitgehend unab-hängig von der zugrunde liegenden Nierenerkrankung zu sein. Es überrascht deshalb nicht, daß Ergebnisse aus neueren Studien jegliche Niereninsuffizienz per se als kardiovaskulären Risikofaktor definieren: Patienten mit Herzinsuffizienz haben ein geringeres Überleben wenn gleichzeitig eine fortgeschrittene Niereninsuffizienz vorliegt, und bereits eine milde Nieren-funktionseinschränkung bestimmt das Überleben von kardiovaskulären Risikopatienten. Diese Erkenntnisse haben die American Heart Association (AHA) 2003 dazu veranlasst, das Vorliegen einer Nierenfunktionsstörung offiziell als unabhängigen Risikofaktor für die Entwicklung von Herz-Kreislauferkrankungen zu klassifizieren und die Nierenfunktion somit auf eine Stufe mit klassischen Risikofaktoren wie den Bluthochdruck oder die Hypercholes-terinämie zu stellen.

Organprotektion bei nierenkranken Patienten

Durch den Einsatz verschiedener pharmakologischer Wirkstoffe vor allem zur Blutdrucksen-kung ließ sich auch das Überleben von Patienten mit Nierenerkrankungen deutlich verbessern. Insbesondere Inhibitoren des Renin-Angiotensin-System wie z.B. ACE-Hemmer spielen bei der Organprotektion inkl. der Verminderung der Progression einer Nierenerkrankung eine besondere Rolle. Eine zentrale Bedeutung hinsichtlich Organprotektion könnte in naher Zukunft jedoch dem körpereigenen Hormon Erythropoietin (EPO) zukommen. EPO ist in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck im Blut und Gewebe (die Sensoren hierfür liegen im Interstitium der Niere) für die Bildung und Ausreifung von Erythrozyten verantwortlich. Seit über zwei Jahrzehnten wird EPO deshalb bei Patienten mit terminaler Niereninsuffizienz und seit einiger Zeit auch bei Patienten mit präterminaler Niereninsuffizienz zur Behandlung der renalen Anämie eingesetzt. Klinische Beobachtungen und Ergebnisse aus kontrollierten


Studien zeigten, dass sich bei Patienten denen rekombinantes humanes EPO (rhEPO) verab-reicht wurde die linksventrikuläre Hypertrophie vermindert, die körperliche Belastbarkeit bei kardialer Ischämie verbessert, und insgesamt sich auch die Prognose bessert. Die positiven Effekte von EPO auf Herz und Gefäße wurden lange Zeit vor allem auf die Korrektur der Anämie, dem daraus resultierenden Anstieg der Sauerstofftransportkapazität und verbesser-ter Gewebeoxygenierung zurückgeführt. Jüngste Erkenntnisse unserer Arbeitsgruppe, aber auch von anderen Autoren legen nahe, dass EPO viel mehr ist als nur ein Hormon in der Erythropoiese. EPO nimmt bereits im Embryo ein Schlüsselstellung in der Regulation der Gefäßbildung ein und aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass EPO auch im erwachsenen Organismus die Reparatur und Aufrechterhaltung des Gefäßsystems maßgeblich beeinflußt.

Kardiovaskuläre Protektion durch EPO

In experimentellen Studien wurde für EPO eine breite Palette von protektiven Eigenschaften am Herzen, großen Gefäßen und Hirn beschrieben. Tierexperimentell konnte gezeigt werden, dass EPO den Untergang von Herzmuskelzellen nach experimentell erzeugter Minderdurchblu-tung des Herzens um die Hälfte senkt. Dieser reduzierte Verlust an Muskelmasse führt dazu, dass bei den behandelten Tieren innerhalb einer Woche eine normalisierte Pumpleistung des Herzens beobachtet werden konnte. Diese Ergebnisse konnten in einer prospektiven Studie bei anämischen herzinsuffizienten Patienten bestätigt werden, bei denen die Gabe von rhEPO zur signifikanten Besserung der klinischen Symptomatik führte. Auch konnte gezeigt, dass es in einem Tiermodell der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit durch die Gabe von EPO zur gesteigerten Gefäßneubildung kommt. Für EPO wurden auch wichtige Funktionen an Zellen des zentralen Nervensystems nachgewiesen wie z.B. Mitogenese, Angiogenese und Hemmung der Apoptose. Diese experimentellen Ergebnisse werden derzeit am Menschen überprüft. Bei Patienten nach Schlaganfall konnte die rasche Gabe von rhEPO die neurologischen Ausfälle sowie die Schwere der Gewebeschäden tatsächlich verringern, jedoch muss rhEPO extrem hoch Dosiert werden um die für das Hormon fast undurchlässige Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. Die Behandlung mit EPO könnte somit eine Alternative bei der Behandlung von Schlaganfällen darstellen. Einen besonderen Gesichtspunkt stellt die Tatsache dar, dass EPO in der Lage ist endotheliale Vorläuferzellen („endothelial progenitor cells“) aus dem Knochenmark auszuschwemmen bzw. deren funktionelle Reifung zu beschleunigen. Diese Vorläuferzellen von gefäßauskleidenden Endothelzellen sind für die Reparatur von Schäden am Gefäßsystem und Organen (z.B. am Herzen) verantwortlich, und die Reduktion der kardiovaskulären Mor-bidität und Mortalität durch endotheliale Vorläuferzellen wird teilweise durch eine verbesserte Endothelfunktion bzw. gesteigerte Neoangiogenese erklärt. Eine Störung der Ausreifung von endothelialen Vorläuferzellen in funktionstüchtige Endothelzellen spielt bei kardiovaskulä-ren Ereignissen eine besonders wichtige Rolle. Kürzlich publizierte Ergebnisse an kardialen Hochrisiko-Patienten zeigten, daß deren Prognose nach stattgehabtem Herzinfarkt signifikant von der Zahl aus dem Knochenmark mobilisierter endothelialer Vorläuferzellen abhängt. Dies

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ist deshalb von Interesse, da unsere Arbeitsgruppe weltweit erstmalig in einer klinischen Studie fanden, dass die Fähigkeit des Knochenmarks bei Bedarf endotheliale Vorläuferzellen auszuschwemmen bei Patienten mit fortgeschrittener Niereninsuffizienz gestört ist, und die Gabe von rhEPO bei diesen Patienten die Ausreifung von endothelialen Vorläuferzellen signifikant stimuliert (Abbildung 1). Bereits innerhalb 2 Wochen nach Einleitung der rhEPO Therapie kommt es zum deutlichen Anstieg der funktionellen endothelialen Vorläuferzellen. Wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigt, ist nach 2-monatiger Behandlung mit rhEPO der Mangel an endothelialen Vorläuferzellen vollständig ausgeglichen. Die Wiederherstellung eines normalen Reservoirs an endothelialen Vorläuferzellen könnte zumindest teilweise das bessere Überleben Erythropoietin behandelter Nierenerkrankter erklären.

Abb.1: Anzahl endothelialer Vor-läuferzellen bei Patienten mit prä-teminaler Niereninsuffizienz vor und nach Therapie mit rekombinanten humanem Erythropoietin (rhEPO). Im Vergleich dazu ist die Anzahl endothelialer Vorläuferzellen bei gesunden Personen signifikant höher. Die Behandlung mit rhEPO führt zum deutlichen Anstieg von endothelialen Vorläuferzellen bis auf das Niveau gesunder Personen.

Abb. 2: Endotheliale Vorläuferzellen beim Patienten mit präterminaler Niereninsuffizienz vor und nach Therapie mit rekom-binanten humanem Erythropoietin (rhEPO). Im Vergleich dazu eine gesunde Kontrollperson.

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Verminderung der Progression einer Niereninsuffizienz durch EPO

Für die Nephrologie evtl. noch spannender ist der Gesichtspunkt der Nephroprotektion mit EPO. Die Ergebnisse einer kürzlich publizierten retrospektiven Analysen bei nierentrans-plantierten Patienten deuten darauf hin, dass die Gabe von rhEPO das Voranschreiten der

Abb. 3: Histologische Aufnahmen der Niere im Tiermodell (5/6 Nephrektomie an der Ratte). In der Oberen Reihe sind Nier-engefäße dargestellt, in der unteren die Glomerula. Links sind histologische Aufnahmen eines völlig gesunden Kontrolltieres zu sehen. Daneben finden sich in der Mitte Aufnahmen eines kochsalzbehandelten Versuchtieres, rechts die eines mit niedrig dosiertem Erythropoietin behandelten Versuchstieres Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die für dieses Tiermodell typischen schwersten morphologischen Veränderungen durch die Gabe von Erythropoietin verhindern lassen und so die Entwicklung eines Nierenfunktionsverlußtes aufgehalten wird.

Abb. 4: Für die mit niedrig dosiertem Erythropoietin behandelten Versuchstiere konnte eine Verdopplung der Überlebensrate im Ver-gleich zu kochsalzbehandelten Kontrolltieren gezeigt werden.

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Nierenschädigung vermindern könnte. Tatsächlich zeigen unsere tierexperimentellen Daten, dass niedrig dosiertes EPO renoprotektiv wirkt (Abbildung 3) und das Überleben behandel-ter Versuchstiere dramatisch verbessert (Abbildung 4). Hier sind prospektive kontrollierte Studien an Patienten für 2004 geplant, um diese viel versprechenden tierexperimentellen Ansätze zu bestätigen. Wir sind der Überzeugung, dass der Einsatz von niedrig dosiertem EPO zur Verminderung der Progression in früheren Stadien der Niereninsuffizienz empfohlen werden kann.

Fazit: Erythropoietin verliert zunehmend das angestammte Bild eines nur auf die Ery-thropoese beschränkten Hormons. Aufgrund von Ergebnissen aus experimentellen Studien und auch Studien an Patienten mit verschiedenen kardiovaskulären Komplikationen muß zunehmend über den Einsatz von EPO in der Organprotektion nachgedacht werden. Eryth-ropoietin könnte diesbezüglich aufgrund seines günstigen Nebenwirkungsprofils ein sicheres Therapiekonzept darstellen.

Forschungsprojekte der Abteilung

Die Forschungsaktivitäten der Abteilung für Nephrologie umfassen die klinischen Gebiete Nierentransplantation, diabetische Nephropathie, Hypertonie sowie Endothelzellfunktion und Vaskulitis. Außerdem werden Untersuchungen zur Rolle adulter Stammzellen in der klinischen und klinisch-experimentellen Forschung durchgeführt, bei der klinischen Forschung die Analyse von Protokollbiopsien nach Nierentransplantationen. Diese Forschungen lassen sich zwei grossen Themenbereichen zuordnen: Mechanismen der chronischen Organschädigung, und Stammzellen und die Regeneration von Organen

Die Forschungsprojekte in den jeweiligen Bereichen sind in klinische Forschung, klinisch-experimentelle Forschung und experimentelle Forschung gegliedert.

Die klinische Forschung beschäftigt sich in erster Linie mit pathophysiologischen Untersuchungen an Patienten und Probanden sowie der Durchführung interventioneller Therapiestudien. Es kommen dabei neue avancierte Methoden der klinischen Forschung wie quantitative RT-PCR, FACS-Analytik und „Proteomics“ zum Einsatz. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Störungen der Endothelzellfunktion bei den verschiedenen Erkran-kungen. Ein weiterer Schwerpunkt der Abteilung ist die farbkodierte Duplexsonographie zur Analyse renaler Gefäßveränderungen.

Im letzten Jahr wurde erfolgreich ein Protokollbiopsieprogramm nach Nierentransplan-tationen eingerichtet. Dort werden in mehrmonatigen Abständen nach Transplantation regelmäßige Nierenbiopsien durchgeführt, um die Ursachen der chronischen Transplantat-nephropathie zu untersuchen.

Die klinisch-experimentelle Forschung beschäftigt sich im wesentlichen mit Tiermodel-len menschlicher Erkrankungen. Es werden Untersuchungen an transgenen Ratten und

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Mäusen vorgenommen. Vor allem die physiologische Analyse von gen-veränderten Mäusen ist ein Schwerpunkt der Abteilung. Hier sind die Nierentransplantation in der Maus und die Elektronenmikroskopie hervorzuheben. Ein wichtiges Forschungsprojekt sind außerdem die Mechanismen der Nierenregeneration. Diese Untersuchungen werden an Haifischen und Rochen in unserem Labor in Bar Harbor, Maine, USA durchgeführt.

In den experimentellen Forschungsprojekten werden zelluläre und molekulare Untersu-chungen durchgeführt. Hier sind die Schwerpunkte der Abteilung die intrazelluläre Signal-transduktion, Analysen der Zellmigration und Zell-Zell-Interaktionen des Endothels. Viele dieser Untersuchungen werden mit Hilfe der konfokalen Lasermikroskopie und GFP-Fusions-proteinen vorgenommen. Ein weiterer Schwerpunkt der zellulären Forschung der Abteilung für Nephrologie ist die Regulation und Wirkung von Proteasen. Hier wird insbesondere das Urokinase-abhängige Plasminogensystem (uPA) untersucht.

Mechanismen der chronischen Organschädigung

1. Nierentransplantation

Auf dem Gebiet der Nierentransplantation werden zwei Themenkomplexe beforscht:1. Mechanismen des Ischämie/Reperfusionsschadens2. Mechanismen der chronischen Transplantatdysfunktion

1.1. Mechanismen des Ischämie/Reperfusionsschadens

1.1.1. Klinische Forschung

Antisense-Strategien zur Blockade von Adhäsionsmolekülen

Projektleiter: Martin Ellmann; Drittmittel: Kooperation mit der Fa. Noxxon, Berlin

1.1.2. Klinisch-experimentelle Forschung

Rolle von Zelladhäsion und Inflammation bei der Reperfusion

Projektleiter: Faikah Güler, Rong Song; Drittmittel: Fa. Astra

1.2. Mechanismen der chronischen Transplantatdysfunktion


Protokollbiopsien in der Nierentransplantation

Projektleiter: Anke Schwarz, Winfried Gwinner; Drittmittel: Fa. Roche, Fa. Novartis

Rarefizierung von peritubulären Kapillaren und Transplantatdysfunktion

Projektleiter: Jörg Radermacher; Drittmittel: Fa. Sankyo


Freie Radikale und chronische Dysfunktion

Projektleiter: Dr. Wilfried Gwinner; Drittmittel: DFG

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1.2.3. Experimentelle Forschung

Mechanismen der Signaltransduktion des uPA-Rezeptors

Projektleiter: Inna Dumler; Drittmittel: DFG

Signaltransduktion und Zellmigration

Projektleiter: Faikah Güler, Drittmittel: DFG

2. Mechanismen der diabetischen Nephropathie

2.1. Klinische Forschung

AT-Rezeptorblockade und Proteinurie

Projektleiter: Danilo Fliser; Drittmittel: Fa. Sankyo, Japan

AT-Rezeptorblockade und renale Perfusion

Projektleiter: Jörg Radermacher, Danilo Fliser; Drittmittel: Fa. Sankyo, Japan

2.2. Klinisch-experimentelle Forschung

PKC und Proteinurie

Projektleiter: Jan Menne; Drittmittel: DFG

Caveolin und die Schlitzmembran

Projektleiter: Marlies Elger NO und Vasokonstriktion in der afferenten Arteriole

Projektleiter: Orkan Cinkilic

2.3. Experimentelle Forschung

Signaltransduktion von Glucose

Projektleiter: Carsten Lindschau; Drittmittel: DFG

3. Chronische Inflammation und Organschädigung

3.1. Hypertonie


ADMA

Projektleiter: Jan Kielstein; Drittmittel: HiLF

Inflammatorische Marker und Bluthochdruck

Projektleiter: Danilo Fliser, Konrad Buchholz; Drittmittel: Fa. Sankyo, Japan

Statine und Transplantatnierenfunktion

Projektleiter: Jörg Radermacher; Drittmittel: Fa. Pfizer

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Lercanidipine und chronische Entzündung (TGR)

Projektleiter: Jan Menne; Drittmittel: Fa. Berlin Chemie, Germany

AT-Rezeptorblockade und Schlaganfall (SHR-SP)

Projektleiter: Torsten Kirsch, Gerhard Weber; Drittmittel: Fa. Solvay, Germany

3.1.3. Experimentelle Forschung

Lercanidipine und Signaltransduktion

Projektleiter: Carsten Lindschau; Drittmittel: Fa. Berlin Chemie, Germany

Dehnung und Signaltransduktion

Projektleiter: Faikah Güler, Harald Mischak; Drittmittel: DFG

3.2. Dialyse


Inflammatorische Marker und Hämodialyse

Projektleiter: Prof. Dr. Fliser, Dr. Hafer; Drittmittel: HiLF

4. Funktion zirkulierender Stamm- und Endothelzellen bei Nierenerkrankungen

4.1. Klinische Forschung

Zirkulierende Endothelzellen bei Vaskulitis und anderen Nierenerkrankungen

Projektleiter: Alexander Woywodt, Marion Haubitz; Drittmittel: Fa. Wyeth

Endotheliale Vorläuferzellen

Projektleiter: Ferdinand Bahlmann, Danilo Fliser; Drittmittel: Fa. Fresenius, Fa. Roche, Fa. Sanofi, Fa. Amgen


Stammzelltransplantation

Projektleiter: Ferdinand Bahlmann; Drittmittel: Fa. Amgen

5. Mechanismen der Regeneration von Nierengewebe


Projektleiter: Marlies Elger, Torsten Kirsch; Drittmittel: Fa. Baxter, DFG

INNERE MEDIZIN



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Transplant 2003; 18: 1245-1248.

Woywodt A, Haller H, Haubitz M. Detection of circulating endothelial cells. Dynalogue 2,20-21 (2003)

Buchkapitel und Monographien

Fliser D, Ritz E. Arterielle Hypertonie. In: Paumgartner G, Riecker G, Hrsg. Therapie Innerer Krankheiten. 10. Auflage. Berlin: Springer Verlag, 2003: 224-240

Fliser D, Menne J, Radermacher J, Haller H. Arterielle Hypertonie. In: Schölmerich, Hrsg. Diagnostik und Therapie Innerer Krankheiten. Berlin: Springer Verlag, 2003: 1223-1238

Kriz W, Elger M. Renal Anatomy. In: Johnson R, Feehally J (eds) Principles of Nephrology. 2nd Edition. Mosby International, London

Abstracts

2003 wurden ca. 60 Abstracts publiziert.

Promotionen

Sateesh Kunigal (Dr. rer. nat.): Urokinase-ac-tivated Stat1 mediates antiproliferative effect in vascular smooth muscle cells cocultures with monocytes.

Wissenschaftspreise

Jan-Brod-Preis an Dr. Alexander Woywodt

Innovationspreis der Kaufmännischen Kran-kenkasse an Dr. Harald Mischak

Patente und Firmengründungen

phenos GmbH

pretty pictures GmbH.

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Abteilung Kardiologie und Angiologie

Direktor: Prof. Dr. H. Drexler


Die Forschungsschwerpunkte der Abteilung liegen in drei Bereichen, jeweils mit enger Ver-knüpfung von Grundlagenforschung und klinischer Forschung:

I. Einen Schwerpunkt bilden pathophysiologischen Mechanismen der Herzhypertrophie und Herzinsuffizienz sowie die Rolle der Entzündung bei Atherosklerose. Methodisch liegt der Fokus dabei auf der Generierung transgener Mausmodelle (incl. konditionalen Knockout und Doppel-Knockouts) und der nachfolgenden Phänotyp-Analyse auf morphologischer, molekularer und funktioneller Ebene.

II. Erforschung der Endotheldysfunktion und deren Prävention/ Therapie bei Patienten mit Atherosklerose und Herzinsuffizienz, ein Forschungsschwerpunkt, bei dem Beobachtungen und Konzepte der kardiologisch-angiologischen Grundlagenforschung in die Klinik übertragen werden, einschl. methodischer Einbeziehung innovativer Verfahren zur Radikalmessung. Der thematische Bezug zwischen Endothel, Angiogenese und endothelialen Progenitorzellen führte zur Etablierung eines eigenen Forschungszweigs, der Stammzellforschung - zum einen in der Anwendung von Knochenmarkszellen zur Regeneration infarktgeschädigten Myokards am Patienten und zum anderen in der Grundlagenforschung zur Stammzellmobilisierung und differenzierung sowie zum Stammzellhoming.

III. Innovationen in der biomedizinischen Technologie mit Schwerpunkten in der Ent-wicklung von wiederaufladbaren implantierbaren Defibrillatoren. Erste Prototypen lassen sich ohne Haut-erwärmung transkutan wiederaufladen. Zum zweiten werden Ultraschalltechniken entwickelt, die es ermöglichen sollen, ohne invasive Platzierung von Kathetern elektrophysi-ologische Diagnostik und Therapie (Ablation) durchzuführen.

Ausgewähltes Forschungsprojekt

Stammzelltherapie bei Patienten mit akutem Myokardinfarkt

Beim Herzinfarkt kommt es durch akuten Verschluss einer Herzkranzarterie zur Nekrose von Teilen des Herzmuskels. Allein in der Bundesrepublik Deutschland erleiden jedes Jahr etwa 250.000 Menschen einen Herzinfarkt. Bei Patienten, die das Akutereignis überleben, führt der Infarkt zu Umbauprozessen des gesamten Herzmuskels, welche in eine chronische Herzinsuffizienz münden können. Die Nekrose des Herzmuskels beginnt beim Menschen bereits 30 Minuten nach Verschluss der Herzkranzarterie. Das wichtigste therapeutische Ziel beim Infarkt ist daher, die verschlossene Herzkranzarterie möglichst rasch wiederzueröff-nen, um hierdurch die Größe des Infarkts zu begrenzen. Die meisten Patienten mit akutem Infarkt kommen jedoch zu spät ins Krankenhaus. Die Wiedereröffnung des Infarktgefäßes


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durch Ballondilatation (PTCA) kann dann zwar ein Fortschreiten des Infarkts verhindern, hat jedoch keinen Einfluss mehr auf die bereits entstandene Nekrose. Ein Herzinfarkt führt also trotz PTCA häufig zu einer bleibenden Einschränkung der Herzleistung.

Der Herzmuskel wird beim Herzinfarkt irreparabel geschädigt. Im Gegensatz zu anderen Organen findet im Herzmuskel eine Regeneration durch ortsständige Stammzellen nicht in relevantem Maße statt. In den vergangenen Jahren wurde daher intensiv nach alternativen Quellen myokardialer Stamm- und Progenitorzellen gefahndet. In experimentellen Untersu-chungen konnte nachgewiesen werden, dass pluripotente Stammzellen aus dem Knochenmark die myokardiale Funktion nach Infarkt verbessern können.

Vor dem Hintergrund dieser Befunde wurde in unserer Abteilung ? weltweit erstmalig ? im Rahmen einer prospektiven und randomisierten klinischen Studie untersucht, ob durch ein stammzellbasiertes Therapieverfahren eine Regeneration infarktgeschädigten Myokards bei Patienten erzielt werden kann (BOOST-Studie, BOne marrOw transfer to enhance ST-elevation infarct regeneration). Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit den Abteilungen Hämatologie/Onkologie (Direktor, Prof. Dr. A. Ganser) und Diagnostische Radiologie (Di-rektor, Prof. Dr. M. Galanski) und der Fa. Cytonet Hannover durchgeführt. Der primäre Endpunkt der BOOST Studie war die Veränderung der Funktion der linken Herzkammer (EF), bestimmt mittels kardialer Magnetresonanztomographie (Kardio-MRT) und ausgewertet von zwei Untersuchern, die bezüglich der Behandlung geblindet waren. Patienten mit akutem ST-Hebungsinfarkt und erfolgreicher PTCA wurden in eine Kontrollgruppe (KON, n=30) und eine Knochenmarktransfer-Gruppe (KMT, n=30) randomisiert. Bei allen Patienten wurde anschließend die Ausgangs-EF mittels Kardio-MRT bestimmt. Bei der KMT-Gruppe wurden am Folgetag ca. 120 ml Knochenmark durch Beckenkammpunktion gewonnen. Knochen-markzellen wurden durch Sedimentation angereichert und im Mittel 6 Tage nach Infarkt ins Infarktgefäß infundiert (Abb. 1).

Abb. 1: Intrakoronare Infusion auto-loger Knochenmarkzellen (BMC) nach Infarkt. Ein spezieller Ballonkatheter (OTW) wird im wiedereröffneten In-farktgefäß (hier: LAD) positioniert. Durch den Ballon wird der antegrade Blutfluss passager für 3-4 Minuten blockiert. In dieser Zeit werden die Knochenmarkzellen über das Innen-lumen des Ballons ins Infarktgebiet infundiert.


Alle Patienten wurden gemäß aktueller post-Infarkt Richtlinien medikamentös behandelt. Es ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den KON- und KMT-Gruppen bezüglich Alter, Infarktlokalisation, Zeit von Schmerzbeginn bis Intervention, maximale CK und Ausgangs-EF. Nach 6 Monaten hatte sich die EF in den KON und KMT Gruppen im Mittel um 0,7 % bzw. um 6,7 % verbessert (P=0,0026); siehe Abb. 2.

Die KMT-Therapie führte zu einer Verbesserung der Herzfunktion vornehmlich im Rand-bereich des Infarkts. Patienten, die erst spät nach Schmerzbeginn zur Akut-PTCA gekommen waren, profitierten in besonderem Maße von der Knochenmarkzelltherapie. In wiederholten Langzeit-EKGs und bei einer elektrophysiologischen Untersuchung nach 6 Monaten ergaben sich keine Hinweise für proarrhythmische Effekte der KMT-Therapie.

Abb. 2: Veränderung der kernspintomographisch be-stimmten Ejektionsfraktion in der Kontrollgruppe und Kno-chenmarkzell-Transfergruppe nach 6 Monate nach Infarkt. Der Unterschied zwischen bei-den Gruppen ist hochsignifikant (P=0.0026).

Die Daten unserer prospektiven und randomisierten Studie zeigen erstmalig am Patienten, dass der intrakoronare Transfer autologer Knochenmarkzellen sicher anzuwenden ist, und die LV-Funktion nach akutem Herzinfarkt signifikant und deutlich verbessert. Der positive Effekt war „on-top-of“ Akut-PTCA und der derzeit optimalen Pharmakotherapie zu verzeichnen. In einer Multicenter-Studie soll jetzt geprüft werden, ob die Knochenmarkzelltherapie auch das Überleben der Patienten nach Herzinfarkt verbessert.


Einfluss von NO und cGMP auf Hypertrophie und Apoptose im Kardiomyozyten

Förderung: DFG WO 552/2-1 und 2-2; PD Dr. med. K. C. Wollert

Muskel LIM Protein und kardiale Hypertrophie

Förderung: HiLF; Dr. med. J. Heinecke

Identifizierung NO und MLP-regulierter Gene im Kardiomyozyten

Förderung: HiLF; Dr. med. T. Kempf

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Entwicklung nicht-invasiver Strategien zur Stammzelltherapie nach akutem Herzinfarkt

Förderung: HiLF II; PD Dr. med. K. C. Wollert

Einfluss der Hämoxygenase-1 auf die kardiomyozytäre Hypertrophie

Förderung: HilF; Dr. med. J. Tongers

Antihypertrophe Effekte der PKG in vivo

Förderung: Industriedrittmittel; PD Dr. med. K. C. Wollert

Intrakoronare Knochenmarkzelltherapie bei Patienten nach Herzinfarkt

Förderung: Novartis-Stiftung; PD Dr. med. K. C. Wollert

Rolle der Zytokin-induzierten Akute-Phase-Reaktion, Chemokin- und TLR-

Rezeptoren

Förderung: SFB 566, Teilprojekt B9; PD Dr. med B. Schieffer

Rolle von Sauerstoffradikalen für die Signaltransduktion von G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

Förderung: HiLF I; Dr. rer.nat. M. Luchtefeld

Bedeutung von dehnungsinduzierten Signalkaskaden und deren nachgeschaltete

Genexpression für das Gefäßremodeling

Förderung: SFB-TR02, Teilprojekt B4; PD Dr. B. Schieffer

Modulation inflammatorischer Prozesse in vaskulären Zellen durch cholesterinregulierte

intrazelluläre Signalwege

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. U. Bavendiek

Bedeutung der gp-130-abhängigen Signaltranduktion für die Adaptation des Myokards

nach Infarkt: Analyse mittels Aktivierungsmutationen von gp130 in transgenen Mäusen

Förderung: DFG DR 148/ 9-4; Prof. Dr. H. Drexler

Myokardiale Expression, Regulation und Funktion des pro-angiogenetischen Faktors

CYR61 nach Druckbelastung und Myokardinfarkt

Förderung: Leducq-Foundation; Dr. rer. nat. D. Hilfiker-Kleiner

Rolle von JunD bei physiologischen und pathophysiologischen Mechanismen im

Myokard: Struktur, Funktion, Wundheilung und Inflammation, sowie reaktiven

Hypertrophie nach Infarkt

Förderung: Leducq Foundation; Dr. rer. nat. D. Hilfiker-Kleiner

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STAT3 spielt eine wesentliche Rolle bei adaptiven und maladaptiven Prozessen

des Myokards unter erhöhter physiologischer (Schwangerschaft, Exercise) und

pathophysiologischer Belastung (Druckbelastung, Ischämie, neurohumorale

Aktivierung)

Förderung: Leducq Foundation; Dr. rer. nat. D. Hilfiker-Kleiner

Effekt einer chronischen Allopurinoltherapie für die endothel-abhängige Vasodilatation

und den vaskulären oxidativen Stress

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. S. Spiekermann

Effekt von Angiotensin II auf die endotheliale Xanthin-Oxidase Expression und Aktivität

– Bedeutung für die endothelabhängige Vasodilatation

Förderung: HiLF-I-Programm; Dr. med. S. Spiekermann

Molekulare Mechanismen und prognostische Bedeutung der endothelialen Dysfunktion

bei der chronischen Herzinsuffizienz

Förderung: HILF-I-Programm; Dr. med. U. Landmesser

Effekt einer Statin-Therapie auf die Mobilisation endothelialer Progenitorzellen,

die myokardiale Angiogenese und Survival nach Myokardinfarkt: Bedeutung der

endothelialen NO-Synthase

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. U. Landmesser

A double-blind, randomized, active-controlled parallel-group study to investigate

the effect of the combination of valsartan and simvastatin on endothelial function in

patients with essential hypertension and hypercholesterolemia

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. U. Landmesser

Bedeutung von Cytochtom 450-2C für die endothelabhängige Vasodilatation beim

Gesunden und bei Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. D. Fischer

Chronische Herzinsuffizienz: Aussagekraft der flußabhängigen, endothelvermittelten

Vasodilatation (FDD) im Hinblick auf die Prognose

Dr. med. D. Fischer

Einfluss von Östrogenrezeptoren auf die kardiale Elektrophysiologie und Kaliumkanal-

Expression im Knock-Out –Modell der Maus nach Myokardinfarkt

Förderung: HiLF I; PD Dr. med. Thomas Korte

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Einfluss des Muscle-LIM-Protein auf kardiale Elektrophysiologie und Kaliumkanal-

Expression im Knock-Out –Modell der Maus

Förderung: Industriedrittmittel; PD Dr. med. Thomas Korte

Echokardiographie am Mausmodell

Förderung: HiLF I; Dr. med. A. Schaefer

Einfluss eines AT1-Blockers auf die Restenose nach Stent-Implantation (Aachen-Studie)

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. A. Schaefer

Beurteilung von Progression und Regression von koronaren Plaques (ENCORE II IVUS-

Core-Lab)


Effekt von AT1 Blockade bei Patienten mit KHK auf Arteriosklerose und

Endothelfunktion


Regulation des myokardialen L-Typ Calciumkanal-Schaltverhaltens durch Proteinkinase

G. Untersuchungen an isolierten ventrikulären Kardiomyozyten einer transgenen

Proteinkinase G überexprimierenden Maus

Förderung: DFG SCHR 719/1; Dr. med. F. Schröder

Bedeutung der PKCe für die myokardiale Hypertrophie: in-vivo Untersuchungen an

PKCe-KO Mäusen

Förderung: DFG-Graduiertenkolleg GK 705 „ Charakterisierung pathophysiologischer Versuchstiermodelle“; Dr. med. G. Klein

Regulation des Schaltverhaltens des humanen L-Typ – Calciumkanals durch Endothelin

und ANP

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. G. Klein

BNP- Prädiktor für die Häufigkeit lebensbedrohlicher Arrhythmien bei ICD-Patienten

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. G. Klein

Myokardiale Defibrillation mittels Ultraschall

Förderung: Industriedrittmittel; PD Dr. med. M. Niehaus

Entwicklung und Evaluation eines Schrittmachersystems auf Ultraschallbasis

Förderung: Preisträger des Innovationswettbewerbs Medizintechnologie des BMBF 2001.

INNERE MEDIZIN


Förderung: BMBF (FK: 01 EZ0202); PD Dr. med. M. Niehaus

Entwicklung und Evaluation eines transkutan wiederaufladbaren implantierbaren

Cardioverter/ Defibrillators

Förderung: Preisträger des Innovationswettbewerbes Medizintechnologie 2000; BMBF (FK 01 EZ0028) sowie Industrie-Drittmittel ; PD Dr. med. M. Niehaus in Kooperation mit der Universität Hannover

Evaluation eines nicht-fluoroskopischen dreidimensionalen Navigationssystems für

elektrophysiologische Katheter im Rahmen einer randomisierten Studie


Evaluation einer VDD-Elektrode für implantierbare Zweikammerdefibrillatoren im

Rahmen einer Multicenterstudie


VERRARI-Studie: Verringert die Rate-Response das Auftreten von Kammerarrhythmien?

Randomisierte Multicenterstudie im Cross-over Design zur Untersuchung der

Arrhythmiehäufigkeit bei Patienten, die mit einem Rate-response-ICD versorgt

wurden.


Einfluss einer autologen Knochenmarkszellinfusion nach Myokardinfarkt auf die

diastolische linksventrikuläre Funktion

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. G.P. Meyer

Charakterisierung der systemventrikulären Funktion bei Pat. mit Transposition der

großen Arterien und Z.n. Vorhofumkehroperation mittels Tissue Doppler Imaging

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. G.P. Meyer

Charakterisierung der rechtsventrikulären Funktion bei Patienten mit Volumenbelastung

des rechten Ventrikels vor und nach Operation einer schweren Pulmonalklappenins

uffizienz

Förderung: Industriedrittmittel; Dr. med. M. Westhoff-Bleck

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Institut für Physiologische Chemie / Biochemie · eine Modulation der Signalmechanismen Wege für eine ... reger oder für ... Kollaboration: E. Neher, J. B. Sørensen, Max-Planck-Institut