Aufbau und Funktion intrazellulärer Signalkaskaden während der frühen Embryonalentwicklung an GFP positiven Kardiomyozyten der Maus
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projektes war die Untersuchung des zellulären Mechanismus und der Regulation der spontanen elektrischen Aktivität im frühen Embryo der Maus und die Übertragung der Ergebnisse auf den adulten Sinusknoten. Im frühembryonalen Herzen sind nicht nur spezialisierte Schrittmacherzellen spontan aktiv, sondern auch isolierte atriale und ventrikuläre Zellen zeigen eine spontane Schrittmacheraktivität. Der zugrunde liegende Mechanismus ist spezifisch für das embryonale Herz und basiert auf spontanen intrazellulären Ca2+ Oszillationen. Diese entstehen durch Ca2+ Freisetzung aus intrazellulären Speichern und die Initiierung von Aktionspotentialen durch den Na+ -Ca2+-Austauscher. Weitere Untersuchungen am embryonalen Herzen ergaben, dass der primäre Schrittmacher in der Wand der unteren Hohlvene lokalisiert ist und diese Region sich erst später zum eigentlichen Sinusknoten entwickelt. Zur Untersuchung der Regulation des embryonalen Schrittmachers wurde eine neue optogenetische Methode zur Aktivierung der Gq-Signalkaskade in Stammzell-abgeleiteten Herzmuskelzellen durch Beleuchtung von Melanopsin entwickelt. Diese Methode ermöglichte eine schnelle (<10 sec) und räumlich präzise Modulation der spontanen Aktivität. Darüber hinaus wurde die optische Generation von Schrittmacheraktivität mit Hilfe der Expression des Licht-sensitiven Kanals Channelrhodopsin2 in Kardiomyozyten erzielt. Mit dieser neuen Methode konnten sowohl Herzmuskelzellen in vitro als auch Vorhöfe und Herzkammern von Mäusen in vivo optisch stimuliert werden. Hervorzuheben ist auch die Möglichkeit einer optisch-induzierten lokalen Dauerdepolarisation, dieser neue Ansatz kann zur Modulation der spontanen elektrischen Aktivität und auch zur Untersuchung von Arhythmien eingesetzt werden. In Zusammenarbeit mit der AG von Dr. A. Kleger (Universität Ulm) konnte weiterhin ein innovativer Ansatz für die in vitro Differenzierung von Schrittmacherzellen aus pluripotenten Stammzellen der Maus und des Menschen identifiziert werden: Die pharmakologische Aktivierung von „small Ca2+ activated K+ channels" induziert die Anreicherung von Herzmuskelzellen, insbesondere vom Schrittmacher-Subtyp. Zusammenfassend konnten in diesem Projekt unter Verwendung neuartiger zellbiologischer Ansätze, transgener Mausmodelle sowie optogenetischer Methoden grundlegende Mechanismen bezüglich Regulation und Modulation des Schrittmachers im embryonalen Mausherzen entschlüsselt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten in Zukunft auch helfen, Entstehung und Ursachen von Rhythmusstörungen im Erwachsenen besser zu verstehen, da im erkrankten Herzen häufig eine Reaktivierung embryonaler Mechanismen zu beobachten ist. Die erstaunlich hohe Effektivität der optogenetischen Proteine zur Modulation des Membranpotentials und intrazellulärer Signaltransduktionskaskaden mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung war nicht zu erwarten. Dieser Ansatz wird in der Zukunft neue Stimulalionsmethoden in der Herz-Kreislaufforschung ermöglichen. Darüber hinaus war überraschend, dass ein spezifischer lonenkanal-Aktivator in pluripotenten Zellen die Anreicherung Schrittmacher-ähnlicher Herzmuskelzellen induziert. Publikumsmedien: http://www.welt.de/welt_print/regionales/article10080726/Forscher-bringen-Herz-mit-Lichl-aus-dem-Takt.html http://www.deutsche-apotheker-zeitung.de/spektrum/news/2010/10/18/mit-blaulicht-ins-herz.html http://www.news4press.com/MeldungDetail_553806.html
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Intracellular Ca2+ oscillations: a potential pacemaking mechanism in early embryonic heart cells. J. Gen. Physiol. 2007; 130: 133-44
Sasse P, Zhang J, Cleemann L, Morad M, Hescheler J, Fleischmann BK
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Modulation of calcium-activated potassium channels induces cardiogenesis of pluripotent stem cells and enrichment of pacemaker-like cells. Circulation 2010; 122, 1823-1836
Kleger A, Seuffertein T, Malan D, Tischendorf M, Storch A, Welheim A, Latz S, Protze S, Porzner M, Proepper C, Brunner O, Katz SF, Varma PG, Bullinger L, Franz WM, Koehntop R, Giehl K, Spyrantis A, Wittekindt O, Lin Q, Zenke M, Fleischmann BK, Wartenberg M, Wobus AM, Boeckers TM, and Liebau S
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Optogenetic control of heart muscle in vitro and in vivo. Nature Methods 2010;7:897-900. Epub 2010 Oct 3
Bruegmann T, Malan D, Hesse M, Beiert T, Fuegemann CJ, Fleischmann BK, Sasse P
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Ca2+ activated K channels-new tools to induce cardiac commitment from pluripotent stem cells in mice and men. Stem Cell Rev. 2012; 8, 720-740
Muller M, Stockmann M, Malan D, Wolheim A, Tischendorf M, Linta L, Katz SF, Lin Q, Latz S, Brunner C, Wobus AM, Zenke M, Wartenberg M, Boeckers TM, Wiehert von G., Fleischmann BK, Liebau S, and Kleger A
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Optogenetic activation of Gq-signaling modulates pacemaker activity of cardiomyocytes, Cardiovasc Res. 2014
Beiert T, Bruegmann T, Sasse P
