Fachbereich 12 - Chemie und Pharmazie
Institut für Biochemie
Prof. Dr. H.-J. Galla

In vitro Modelle der Blut-Hirn-Schranke

Der Arbeitskreis beschäftigt sich seit einigen Jahren mit strukturellen und funktionellen Problemen der Blut-Hirn-Schranke in vivo. Forschungsschwerpunkte sind Fragen der Differenzierung des cerebralen Endothels im Verbund mit Astrozyten und Perizyten, Ausbildung der Barrierefunktion durch tight junctions und dadurch bedingt die Aufrechterhaltung bzw. Generierung der Zellpolarität besonders im Hinblick auf die Lipidverteilung.

Wir konnten zeigen, daß Endothelzellen in Kultur die Blut-Hirn-Schrankeneigenschaften verlieren, diese aber in gemischter Kokultur mit Astrozyten wiedergewinnen können. Neuere Arbeiten zeigen, daß eine drastisch erniedrigte Permeabilität (und hohe elektrische Widerstände) durch Entfernen des Serums aus dem Kulturmedium und durch Zugabe von Hydrocortison und Optimierung der Zellkulturoberfläche hinsichtlich der aufgebrachten Basalmembranproteine zu erreichen ist. Die Güte der Barriere übersteigt in diesem Zellkulturmodell alle bisher bekannten Modelle einschließlich der Kokulturen mit Astrozyten.

Parallel zu den Arbeiten an der Blut-Hirn-Schranke haben wir ein epitheliales Kultursystem zur Blut-Liquor-Schranke etabliert. Wir konnten Epithelzellen des Plexus chorioideus fremdzellfrei isolieren, die in Kultur durch Ausbildung einer Permeabilitätsbarriere ihren polaren Phenotyp exprimieren und Komponenten der Cerebrospinalflüssigkeit in das der apikalen Seite zugewandte Filterkompartiment freisetzen. Analog zum Endothelsystem wird die Barrierefunktion in serumfreiem Medium deutlich verbessert, so daß dieses Epithel einen durch Aktivität der Na⁺K⁺ATPase und des Na⁺H⁺-Austauschers aufgebauten Protonengradienten erhält und apikal analog zur in vivo Situation durch Wasserexport einen hydrostatischen Druck aufbaut und aufrecht erhält.

Ergänzend zu den zellbiologischen Arbeiten haben wir über die Impedanzspektroskopie und die sog. Quarz-Mikrowaage-Technik zwei Analysesyteme zur Quantifizierung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkung erfolgreich zur Charakterisierung von barrierebildenden Zellen eingesetzt. Dabei können neben den elektrischen Widerständen Adhäsionsprozesse quantifiziert werden, indem der Rezeptor (oder Ligand) auf einem entsprechenden physikalischen Transducer (Quarzoberfläche, Elektrode) aufgebracht wird und die Anbindung des Liganden (oder Rezeptors) durch Messung der Änderung der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Sensors als Maß für die gebundene zusätzliche Masse quantifiziert werden kann. Grundlage für diesen Effekt ist die Dämpfung der erzwungenen Scherschwingung des Quarzes, die neben der Massenänderung wesentlich von den viskoelastischen Eigenschaften der Oberfläche abhängt und somit auch bestens zur Messung von Zell-Substrat-Interaktionen geeignet ist, da die viskosen, dissipativen Eigenschaften (vorhandene Zell-Zell-Kontakte, Adhäsion an der Oberfläche, Veränderung der Zellform) der adhärierten Zellen die Scherschwingung stark beeinflussen.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft, SFB, BMBF, Industrie

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. H.-J. Galla (Leiter), Prof. Dr. H. Schnittler, Prof. Dr. F. Stögbauer, Dr. Cl. Steinem, Dr. J. Wegener, Dr. H. Franke, Dr. T. Tilling, Dr. A. Janshoff, Dr. Chr. Engelbertz, Dipl.-Chem. Th. Nitz, Dipl.-Chem. M. Haselbach, Dipl.-Chem. J. Seebach, Dipl.-Biol. K. Dernbach, Dipl.-Biol. D. Korte

Veröffentlichungen:

B. Tewes and H.-J. Galla (2001) Lipid polarity in brain capillary endothelial cells Endothelium 8, 207-220

M. Haselbach, J. Wegener, St. Decker, Ch. Engelbertz and H.-J. Galla (2001) Porcine choroid plexus epithelial cells in culture: Regulation of barrier properties and transport processes Microscopy Res. Techn. 52, 137-152

C. Lohmann, S. Hüwel, H-J.Galla (2002) Predicting blood-brain barrier permeability of drugs: Evaluation of different in vitro assays Journal of Drug Targeting 10, 263-276

T. Eisenblätter, K. Psathaki, Th. Nitz, H.-J. Galla and J. Wegener (2002) Cell Culture media: Selection and standardization In: Cell culture models of biological barriers: In vitro test systems for drug absorption and delivery, C.M. Lehr, ed. Harward academic publisher Chapt 2, p21-40

G. Fricker, H. Franke and H.-J. Galla (2002) Drug transport across the blood-brain barrier – a molecular and functional perspective In: Cell culture models of biological barriers: In vitro test systems for drug absorption and delivery. C.M. Lehr, ed. Harward Academic Publisher Chapt. 19

Th. Nitz, T. Eisenblätter, M. Haselbach and H.-J. Galla (2001) Recent advances in the development of cell culture models for the blood-brain- and blood-CSF-barrier In: Blood-brain barrier delivery and brain pakology, J. Lawrence Kluwer Academic / Plenum Publishers New York, 2001, 45-62

S. Angelow, J. Wegener and H.-J. Galla (2002) Transport and Permeability Characteristics of the Blood-CSF Barrier in vitro In: The blood-spinal cord and brain barrier in health and desease H. Sh. Sharma, ed., Academic press, (im Druck)

T. Eisenblätter and H.-J. Galla (2002) A new and highly potent Multi Drug Resistance Protein at the blood brain barrier. Biochem. Biophys. Res. Com. 293, 1273-1278

Th. Tilling, Ch. Engelbertz, St. Decker, D. Korte, S. Hüwel and H.-J. Galla (2002) Expression and adhesive properties of basement membrane proteins in cerebral capillary endothelial cell cultures Cell Tissue Res., 310, 19-29

T. Eisenblätter, H.-J. Galla (2002) A new multidrug resistance protein at the blood-brain barrier Biochem. Biophys. Res. Com., 294, 1273 – 1278