Strukturelles Remodeling und funktionelle Reifung von aus Stammzellen reprogrammierten Kardiomyozyten in neuen 3D-gedruckten Mikrostrukturen.

• Antragstellerin: Dr. Nina Ullrich, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417543243

Neue, aus Stammzellen entwickelte Herzmuskelzellen sind große Hoffnungsträger für die zelluläre Herztherapie, um zukünftig erkrankte Herzzellen zu ersetzen und den Funktionsverlust bei Herzversagen zu kompensieren. Der momentan erreichte Differenzierungsgrad dieser Zellen zeigt jedoch im Vergleich zu adulten Herzzellen einen sehr unreifen kardialen Phänotyp, der durch unspezifische Zellform, ungeordnete Myofilamentanordnung, ineffiziente Kalzium (Ca)-Regulation und spontane Kontraktionen gekennzeichnet ist und zu instabilen Ca Signalen und unerwünschter elektrischer Aktivität führt. Diese Merkmale ähneln dem Erscheinungsbild pränataler Primärkardiomyozyten und sind der Grund dafür, dass eine erfolgreiche funktionelle Integration in adultem Herzgewebe für klinische Zwecke zur Zeit noch nicht in Frage kommt, weshalb dringend neue Strategien zur weiteren Zellreifung gesucht werden. Die große Herausforderung besteht darin, spezifische Parameter zu identifizieren, die eine kardiogene Reifung begünstigen.In diesem Projekt wollen wir den Einfluss von veränderter Zellform auf die kardiale Zellfunktion testen. In Anlehnung an die sehr spezielle Morphologie adulter Kardiomyozyten haben wir neue rechteckige 3D Förmchen für die Kultur einzelner Zellen entwickelt, um den Effekt einer speziellen Form auf die Myozytenfunktion zu analysieren. Erste Experimente zeigten eine deutliche Neuorganisation der Myofilamente in quaderförmigen Zellen und eine gesteigerte Effizienz der zellulären Ca Regulation. Basierend auf diesen erstaunlichen Ergebnissen schlagen wir zwei thematisch eng miteinander verbundene experimentelle Ansätze vor, um ein tieferes Verständnis für die strukturellen und funktionellen Anpassungen dieser Zellen bei Wachstum in spezieller Form zu erlangen. In der ersten Zielsetzung werden wir die Mechanismen eruieren, die eine strukturelle Neuorganisation induzieren, und untersuchen, ob die Interaktion mit den formgebenden Mikrostrukturen (Zellwachstum in 3D) für das Remodeling ausschlaggebend ist, oder ob eine einfache Längsachsenausbildung der Zelle ausreichen würde (Wachstum in 2D). Eine Analyse der Outside-In-Signalkaskaden wird weiteren Aufschluss über die genetische Kontrolle der Zellarchitektur und die Ausbildung spezieller Mikrodomänen (wie z.B. T-Tubuli und Glanzstreifen) geben. Im zweiten Teil dieses Projektes erarbeiten wir die Mechanismen, die durch strukturelles Remodeling auch zu verbesserter Ca Signalkontrolle führen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Hypothese, dass Änderungen der zellulären Mikroarchitektur die funktionelle Interaktion der Ca Influx- und Freisetzungsmechanismen beeinflussen, die für die elektromechanische Kopplung essenziell sind. Das Hauptziel von diesem Gesamtprojekt liegt darin, die Mechanismen zu identifizieren, die zu einer stabilen und effizienten Ca Kontrolle führen, um das Risiko arrhythmogener Aktivität in den neuen Kardiomyozyten zu reduzieren und diese für klinische Zwecke zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen