O2-Sensing bei akuter Hypoxischer Pulmonaler Vasokonstriktion - Entschlüsselung der molekularen Mechanismen mit Fokus auf spannungsabhängigen Kalium-Kanälen

• Antragstellerin: Dr. Fenja Knöpp
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452531259

Die Belüftung und Durchblutung der Säuger-Lunge wird über den physiologischen Mechanismus der Hypoxischen Pulmonalen Vasokonstriktion (HPV) optimal aufeinander abgestimmt. Eine Beeinträchtigung dieses Mechanismus kann - bedingt durch eine unzureichende Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff (O2) und die hieraus resultierende Unterversorgung der Organe - zum Tode führen. So ist eine gestörte HPV häufig ursächlich für eine tödliche Hypoxämie bei intensivpflichtigen Patienten, was nach jüngsten Untersuchungen auch auf beatmungspflichtige COVID-19 Patienten zuzutreffen scheint.Obwohl eine beeinträchtigte HPV zum Tode führen kann, ist bislang nicht vollständig geklärt, wie Hypoxie initial im Lungen-Gefäßsystem wahrgenommen wird. Unstrittig ist, dass eine Hypoxie-vermittelte Hemmung von spannungsabhängigen K+-Kanälen (Kv-Kanälen), welche in glatten Muskelzellen der Pulmonalarterien (PASMCs) lokalisiert sind, essentiell für die Auslösung der HPV ist. Obwohl Kv-Kanäle somit ideale Targets für die Entwicklung neuartiger therapeutischer Strategien zur Behandlung einer beeinträchtigten HPV darstellen, ist bislang nicht bekannt, wie Hypoxie durch diese Ionenkanäle registriert wird. Zu entschlüsseln, wie Kv-Kanäle Hypoxie wahrnehmen, sowie die potentielle Identifizierung eines bislang unbekannten O2-Sensors ist daher Gegenstand des vorliegenden Projektantrages.Für die geplanten Untersuchungen soll zunächst ein nachweislich in die HPV involvierter Kv-Kanal (Kv1.5) heterolog exprimiert und seine Reaktion auf Hypoxie mittels elektrophysiologischer Techniken (TEVC und Patch Clamp) charakterisiert werden. Durch die Co-Expression mit Kvβ-Untereinheiten konnte in Vorversuchen bereits gezeigt werden, dass diese akzessorische Untereinheit für die O2-Sensitivität des Kv1.5-Kanals essentiell ist und damit potentiell einen neuen primären O2-Sensor im pulmonalen Gefäßsystem darstellt. Über zielgerichtete Mutagenese sollen nun die für das O2-Sensing verantwortlichen Aminosäuren innerhalb der Proteinstruktur ermittelt werden. Anschließend sollen die identifizierten Aminosäuren analog über CRISPR/Cas-vermitteltes gene editing in primären PASMCs mutiert werden, um den identifizierten O2-Sensing-Mechanismus in Primärzellen zu bestätigen. Abschließend soll die physiologische Relevanz sowohl der identifizierten Aminosäuren, als auch der Kvβ-Untereinheiten für die HPV im Rahmen einer tierexperimentellen Studie verifiziert werden. Bei erfolgreicher Bearbeitung des Projektes könnten nicht nur erstmals die molekularen Mechanismen entschlüsselt werden, die für die Schließung der Kv-Kanäle in Reaktion auf Hypoxie - und damit die Auslösung der HPV - essentiell sind, sondern zudem ein bislang unbekannter primärer O2-Sensor in PASMCs identifiziert werden. Auf diese Weise würde ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der HPV erbracht werden. Dies ist Voraussetzung für die Entwicklung neuartiger Therapien bei Erkrankungen, welche auf einer beeinträchtigten HPV beruhen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen