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Entwicklungsbiologie: Meine Forschung über die Herzkranzgefäße

Gastbeitrag von Dr. Guillermo Luxán, Biologe in der Arbeitsgruppe von Prof. Ralf Adams am Exzellenzcluster „Cells in Motion“
Ein spanischer Entwicklungsbiologe in Münster: Dr. Guillermo Luxán
© CiM/S. Marschalkowski

Wie entwickeln sich Herzkranzgefäße? Welche Rolle spielen molekulare Signale in Herzkranzgefäßen bei Herzkrankheiten? Fragen, die mich während meiner Forschung im Labor von Prof. Ralf Adams am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster sehr beschäftigen. Denn jedes Jahr verursachen Herz-Kreislauf-Erkrankungen fast vier Millionen Todesfälle in Europa – das sind 45 Prozent aller Todesfälle.

Herzkranzgefäße sind die Blutgefäße, die den Herzmuskel mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen. Sie entspringen aus der Hauptschlagader und sind kranzförmig um das Herz angeordnet. Die molekularen Mechanismen in diesen Gefäßen zu verstehen, ist eine wichtige Voraussetzung dafür, neue und bessere Diagnosemethoden für Herzkrankheiten und hoffentlich auch Therapien entwickeln zu können. Ob und wann wir dieses Ziel erreichen, ist nicht sicher – aber das ist meine Motivation jeden Morgen ins Labor zu gehen.

Konfokale Mikroskopie Bild der Herzkranzgefäße einer Maus. Endothelzellen sind mit den Antikörpern IB4 (grün) und Icam2 (rot) gefärbt.
© MPI/G. Luxán

Meine Forschungsfrage

Schon während meiner Doktorarbeit in meiner Heimatstadt Madrid habe ich mich mit der Entwicklung und den Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems beschäftigt. Am Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares im Labor von Dr. José Luis de la Pompa interessierte ich mich im Besonderen für Signalwege zwischen Zellen bei einer bestimmten Herzkrankheit. Ich untersuchte die Ventrikel, also die Hauptkammern des Herzens, von wo aus das Blut in den Rest des Körpers gepumpt wird. Dabei erregte etwas meine Aufmerksamkeit: Die Herzen von bestimmten genetisch veränderten Mäusen hatten in ihren Ventrikelwänden keine Herzkranzgefäße. Es war diese Beobachtung, die mich zum Max-Planck-Institut nach Münster gebracht hat, um die Biologie von Herzkranzgefäßen weiter zu erforschen.

In meinem Projekt untersuche ich nun die Rolle des sogenannten Eph-ephrin Signalweges in den Herzkranzgefäßen von erwachsenen Mäusen. Es ist bereits bekannt, dass dieser Signalweg in der sogenannten Determinierung von Venen und Arterien eine zentrale Rolle spielt, wenn also Blutgefäße in einem sich entwickelnden Embryo ihre Wahl treffen müssen, ob sie eine Arterie oder eine Vene werden. Welche Rolle der Signalweg in den Gefäßen eines erwachsenen Organismus spielt – im Speziellen in den Herzkranzgefäßen – wurde jedoch noch nicht in aller Tiefe untersucht – und das ist das wissenschaftliche Problem, das ich versuche zu erklären.

Ein Blick in meinen Laboralltag

Als Entwicklungsbiologe verbringe ich viele Stunden vor dem Mikroskop und analysiere die Struktur von Herzkranzgefäßen. Ich untersuche auch, wo und wie häufig verschiedene molekulare Marker in Endothelzellen vorkommen. Endothelzellen sind Zellen, die die innere Seite der Blutgefäße bilden. Weil Blutgefäße ganz tief in unseren Organen liegen, müssen wir Forscher das Gewebe schneiden, um das Innere der Strukturen zu enthüllen. Früher war es üblich, sehr dünne Gewebeschnitte anzufertigen, sie anzufärben und die unterschiedlichen Strukturen der verschiedenen Organe zu untersuchen. Diese Methode eignet sich aber nicht, um Blutgefäße zu untersuchen, da die dreidimensionalen Informationen, die eine komplexe Gefäßschicht aufweist, dabei verloren gehen. Die Blutgefäße sind wie die Rohrsysteme des Körpers. Wenn man ein Rohr in sehr dünne „Scheiben“ schneidet, ist alles, was man sehen kann, ein Kreis.

Am sogenannten Kryostat schneidet Guillermo Luxán dünne Scheiben aus einem gefrorenen Gewebeblock.
© CiM/S. Marschalkowski

In unserem Labor benutzen wir die neuesten Techniken. So können wir dickere Gewebeschnitte analysieren, in denen die räumliche Information erhalten geblieben ist. So erhalten wir nicht nur den kleinen Kreis, sondern auch das ganze Rohr und sogar seine „Nachbarn“. Um einen solchen Schnitt zu erhalten, setze ich mich zunächst an das sogenannte Kryostat. Mit diesem Gerät schneide ich Scheiben aus einem gefrorenen Gewebeblock. Diese Scheiben sind zehnmal dicker als „traditionelle“ Gewebescheiben, in denen man die räumliche Information nicht analysieren konnte. Doch was wir dicke Schnitte nennen, sind in Wirklichkeit noch immer nur 0,05 Millimeter dünne Gewebescheiben. Diese Schnitte kleben wir auf Objektträger, kleine Glasplatten, um sie später unter dem Mikroskop betrachten zu können.

Der Prozess, bis die geschnittenen Proben unter dem Kryostat liegen, dauert eine Woche. Bis es soweit ist fixiere ich zuerst das geschnittene Gewebe, sodass seine Eigenschaften erhalten bleiben und sich möglichst wenig von lebendem Gewebe unterscheiden. Dann bereite ich das Gewebe für das Einfrieren vor. Dafür wird das Gewebe in eine sukrosereiche Lösung eingebettet. Sukrose bewirkt, dass die Lösung während des Einfrierens keine Kristalle bildet, denn Kristalle würden die Struktur der Probe zerstören und sie dadurch unbrauchbar machen. Diese vorbeugende Maßnahme nennen wir Kryoprotektion. Als letztes tausche ich die Sukroselösung durch eine andere aus, die Sukrose und Gelatine enthält, um einen Block zu produzieren, den ich bei minus 80 Grad einfriere. Der Block ist 1,5 cm breit, 1,5 cm lang und 0,5 cm tief. Wenn er gefroren ist, kann ich das Gewebe schneiden und auf Objektträgern für weitere Analysen sammeln. Die häufigste Technik, mit der ich als Molekularbiologe arbeite, ist Immunohistochemie. Bei dieser Technik nutze ich Antikörper, um verschiedene Proteine zu färben.  So kann ich dann zum Beispiel ihre Expression erforschen – das heißt, wo genau und in welcher Menge ein Protein vorkommt. Am Ende – und das sticht in unserer Arbeit besonders hervor – erhalte ich mit Hilfe von Mikroskopen wunderschöne Bilder, mit deren Hilfe ich die Herzkranzgefäße analysieren kann und der Beantwortung meiner Forschungsfrage hoffentlich ein Stück näher komme.

Hintergrund "Wissenschaft allgemeinverständlich"
Dieser Artikel ist das Ergebnis eines Kommunikationstrainings für Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler. Die Teilnehmer erlernten Techniken für das Schreiben eines interessanten, gut lesbaren Textes. Anschließend verfassten sie einen allgemeinverständlichen Artikel über ihre Forschung und übersetzen ihn ins Englische. Das Kommunikationsteam des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ initiierte das Projekt und unterstützte die Teilnehmer in Einzelcoachings. Die Supportstelle Englisch der WWU half bei der Optimierung der Übersetzungen. Die Ziele: Das eigene Forschungsthema inhaltlich und sprachlich reflektiert aufzubereiten, soll den Teilnehmern in der Kommunikation mit der Öffentlichkeit, aber auch innerhalb der Wissenschaft nutzen. Darüber hinaus sammeln sie Erfahrungen in der Zusammenarbeit mit Kommunikationsabteilungen und Fotografen.

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