Fachbereich 05 - Medizinische Fakultät
Institut für Physiologie
Vegetative Physiologie

Nanophysiologie

Nanophysiologie kann nur mit Nano-Techniken erforscht werden. Im Laufe des Jahres 2002 wurde ein neues Laboratorium mit einer "Atomic Force Mikroskopie" (kurz: AFM)-Einrichtung ausgestattet, die über HBFG-Mittel eingeworben wurde. Diese Einrichtung ermöglicht zum ersten Mal Untersuchungen an lebendem Zellmaterial auf molekularer Ebene bei gleichzeitiger in vivo Fluoreszenzmikroskopie.

1. Blutgefässphysiologie

   Endothel besteht aus einem einschichtigen Zellrasen, der die Innenflächen der Blutgefässe auskleidet. Die Endothelzellen bilden dabei nicht nur eine intelligente Barriere zwischen Blut und Körperzellen, sondern tragen entscheidend zur Regulation von Blutgerinnung und Blutdruck bei. Humane Endothelzellen werden in der Kulturschale gezüchtet und die dem Blut zugewandte Oberfläche beschrieben. Mittels der AFM-Techniken lassen sich hier an lebenden Zellen "Nanolöcher" darstellen, die sich auf physiologische Stimuli bilden, u. U. minutenlang offen sind und gerinnungsaktive Stoffe ins Blut abgeben. Ziel solcher Studien ist die Erfassung der Porenkinetik und der Identifikation des aus der Pore entlassenen Materials. Pharmaka greifen in diese Kinetik ein und steuern dadurch Gerinnung und Blutdruck.

2. Epithelphysiologie

   Mukoviszidose ist eine der häufigsten Erbkrankheiten der westlichen Bevölkerung. Sie ist charakterisiert durch eine Fehlfunktion Salz und Wasser-sezernierender Epithelien. Die Ursache liegt in Mutationen eines Gens welches für das sogen. CFTR-Protein kodiert. Dieses CFTR sitzt normalerweise in der Plasmamembran und reguliert dort Ionentransportprozesse. Man kann das humane Protein in einer Modellzelle (Eizelle des Krallenfrosches) exprimieren und versuchen, es mit Nano-Techniken in der Membran aufzuspüren. Man nimmt nämlich an, dass das gesunde CFTR mit anderen Proteinen in der Plasmamembran sogen. Cluster bildet und dadurch erst eine normale Zellfunktion ermöglicht. Die Beschreibung einer physiologischen "Nanoarchitektur auf der Zelloberfläche" und ihre Störung durch mutierte Proteine ist hier das Ziel.

3. Zellkernphysiologie

   Bluthochdruck (arterielle Hypertonie) führt zu Herz- Kreislauferkrankungen, die wiederum die Todesursache Nummer 1 in der westlichen Bevölkerung darstellen. Eines der Schlüsselhormone des menschlichen Organismus ist Aldosteron, ein Steroidhormon, welches den Salz -und Wassergehalt unserer Zellen reguliert und damit die Höhe des Blutdrucks bestimmt. Auch wenn es sich hier um ein sehr komplexes Thema handelt, das offensichtlich den gesamten Organismus betrifft, so liegt die Lösung um das Verständnis der Hypertonie in der Interaktion einzelner Moleküle. Ziel eines Forschungsschwerpunktes in unserem Bereich ist die "Routenbeschreibung des Hormons durch die Zelle". Das Aldosteron schickt nämlich Signale in Form von Proteinmolekülen in den Zellkern und löst dort Genexpression aus. Die transkribierten Gene (mRNA) werden dann aus dem Kern ausgeschleusst und an den Ribosomen in Proteine translatiert. Wir haben Nano-Methoden erarbeitet, um diese Ein- bzw. Ausschleusungsprozesse durch die Poren der Zellkernhülle sichtbar bzw. funktionell messbar zu machen. Auch hier dient uns die Eizelle des afrikanischen Krallenfrosches als Modell. Ziel ist das molekulare Verständnis der physiologischen Porenregulation und ihrer pharmakologischen Beeinflussung.

4. Tumorphysiologie

   Tochtergeschwulste (Metastasen) von primären Tumoren entstehen durch die Fähigkeit von Tumorzellen, durch die Wände der Blutgefässe zu migrieren. Dazu setzt die Tumorzelle an ihrem Vorderende (leading edge) Enzyme wie z. B. Matrix-Metalloproteasen (MMP) frei, die sich auf enzymatische Weise den Weg durch die gesunden Gewebe bahnen. Im Bereich der Vegetativen Physiologie werden verschiedene Gewebe-ähnliche Matrices hergestellt und die Wechselwirkung dieser Strukturen mit in der Zellkultur gezüchteten Krebszellen untersucht. Die AFM-Technik ermöglicht hier die Darstellung der 3D-Matrix. Ziel ist das Verständnis der Umstrukturierung der Matrix (Stichwort: remodeling) durch die Tumorzelle selbst bzw. durch die von ihr sezernierten Enzyme.

Drittmittelgeber:

DFG, VW-Stiftung, IZKF

Beteiligte Wissenschaftler:

Goerge T, (Medizinstudent), Niemeyer A, (Medizinstudent), Rogge P, (Medizinstudent), Ossig R, (Biologe), Oberleithner H, (Physiologe), Schneider SW.,( Physiologe), Schillers H, (Chemiker), Danker T, (Biologe), Madeja M, (Physiologe), Schäfer C, (Biologin), Shahin V, (Apotheker), Albermann L, (Biologe), Hug MJ, (Apotheker), Reinhardt J, (Biologe), Ludwig T, (Arzt), Graessel S, (Biochemikerin), Wilhelmi M, (Technische Assistentin)

Beispiele von Veröffentlichungen:

1. Blutgefässphysiologie
   Goerge T, Niemeyer A, Rogge P, Ossig R, Oberleithner H, Schneider SW. J Secretion pores in human endothelial cells during acute hypoxia. J Membr Biol. 2002; 187(3):203-11.

2. Epithelphysiologie
   Schillers H, Danker T, Madeja M, Oberleithner H. Plasma membrane protein clusters appear in CFTR-expressing Xenopus laevis oocytes after cAMP stimulation. J Membr Biol. 2001; 180(3):205-12.

3. Zellkernphysiologie
   Schäfer C, Shahin V, Albermann L, Hug MJ, Reinhardt J, Schillers H, Schneider SW, Oberleithner H Aldosterone signaling pathway across the nuclear envelope. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002; 99(10):7154-9.

4. Tumorphysiologie
   Ludwig T, Ossig R, Graessel S, Wilhelmi M, Oberleithner H, Schneider SW. The electrical resistance breakdown assay determines the role of proteinases in tumor cell invasion. Am J Physiol Renal Physiol. 2002; 283(2):F319-27.

   Weitere Veröffentlichungen aus unserem Arbeitsbereich finden Sie unter: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?CMD=Search&DB=PubMed