Dr. rer. nat. M. Humar

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• Neuroprotektion
  Hemmung der Apoptose durch Repression Ischämie- und Calcium-induzierter neuropathogener Schlüsselenzyme mittels heterozyklischer Schwefelharnstoffverbindungen in Neuronen, Astrozyten und Mikrogliazellen

• Neuroprotektion
  Heterozyklische Schwefelharnstoffderivate hemmen die ribosomale Proteinneusynthese und somit die Bildung pathophysiologisch relevanter Schlüsselenzyme, welche den neuronalen Schaden nach Ischämie, Trauma, Inflammation, Zellstress und degenerativen Prozessen determinieren.

• Kardioprotektion
  Minderung von Myokarddefekten durch heterozyklische Schwefelharnstoffderivate

• Lungenprotektion
  Das Genexpressionsprofil beatmeter ARDS/ALI Patienten

• Zytoprotektion
  Einfluss von Sesquiterpenlactonen auf die Proteinneusynthese

Projektbeschreibung

Projekt 1: Neuroprotektion

Projektbezeichnung:
Hemmung der Apoptose durch Repression Ischämie- und Calcium-induzierter neuropathogener Schlüsselenzyme mittels heterozyklischer Schwefelharnstoff-verbindungen in Neuronen, Astrozyten und Mikrogliazellen

Projekt- und Forschungsidee:

Schädel-Hirn Trauma, Schlaganfall und viele neuro-degenerative Erkrankungen führen zu einer neuropathologischen Erhöhung des intrazellulären Calciumspiegels und zur Induktion zahlreicher calcium-abhängiger pro-apoptotischer Proteine. Im vorgestellten Projekt soll untersucht werden, ob heterozyklische Schwefelharnstoffderivate die Aktivität dieser Enzyme modulieren und dadurch neuroprotektiv wirken. Folgende zelluläre Schlüsselenzyme und Mediatoren des neuronalen Zelluntergangs sollen untersucht werden:

- Phosphatase-2B
- Calpain- Calpain
- MAP-Kinasen- MAP-Kinasen
- pro-inflammatorische Faktoren- pro-inflammatorische Faktoren
- NO-Synthasen- NO-Synthasen
- Cyclooxygenase 2- Cyclooxygenase 2

Die Experimente erfolgen an etablierten Zelllinien (SK-N-SH, C6, U87MG, 42-MG-BA, GOS-3) und Slice-Kulturen des Hippocampus. Zurzeit wird die Gewinnung und Kultivierung primärer Neurone, Astrozyten und Mikrogliazellen und ein in vivo Ischämiemodell im Labor etabliert.
Bestätigen die geplanten Experimente unsere Vermutungen, könnten heterozyklische Schwefelharnstoffderivate als Leitstruktur zur Entwicklung neuer potenter zytoprotektiver Wirkstoffe Verwendung finden.

Projekt 2: Neuroprotektion

Projektbezeichnung:
Heterozyklische Schwefelharnstoffderivate hemmen die ribosomale Proteinneusynthese und somit die Bildung pathophysiologisch relevanter Schlüsselenzyme, welche den neuronalen Schaden nach Ischämie, Trauma, Inflammation, Zellstress und degenerativen Prozessen determinieren.

Projekt- und Forschungsidee:

Die Inhibition der Proteinneusynthese durch Inaktivierung von Ribosomen-assoziierter Elongationsfaktoren und Initiationsfaktoren kann die translationale Induktion von Enzymen unterbinden, welche den neurologischen Schaden nach Ischämie, Trauma, Inflammation, Zellstress und Neurodegeneration determinieren. Im vorgestellten Projekt soll untersucht werden, ob heterozyklische Schwefelharnstoffderivate Initiationsfaktoren (IFs) und Elongationsfaktoren (EFs) inaktivieren, welche eine ordnungsgemäße Proteinneusynthese am Ribosom steuern, und dadurch die Bildung pathophysiologisch relevanter Enzyme wie z.B. der Cyclooxygenase-2 (COX-2) und der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) verhindern. Eine Aktivierung dieser Enzyme kann zu einer progressiven Ausbreitung eines Ischämie-bedingten bzw. traumatischen Gehirnschadens führen.
Eine Hemmung der Proteinneusynthese durch Inaktivierung von Elongations- und Initiationsfaktoren unterbindet die Proteinsynthese nicht einheitlich, sondern führt zu einer bevorzugten Bildung von Proteinen mit zytoprotektiver Funktion. Diese Schutzproteine werden durch RNAs mit spezifischen Schutzelementen codiert und somit unabhängig von IFs und EFs translatiert. Im zweiten Teilprojekt soll daher die translationale Induktion dieser zellulären Schutzproteine durch heterozyklische Schwefelharnstoffderivate nachgewiesen werden.

Projekt 3: Kardioprotektion

Projektbezeichnung:
Minderung von Myokarddefekten durch heterozyklische Schwefelharnstoffderivate

Projekt- und Forschungsidee:

Calmodulin Kinase II (CaMKII) und Phosphatase 2B (PP-2B) sind zwei Schlüsselenzyme, welche den Phänotyp der hypertrophen Kardiomyopathie bestimmen. Experimente unserer Arbeitsgruppe belegen, dass heterozyklische Schwefelharnstoffderivate die CamKII und die PP-2B in Neuronen und Zellen des Immunsystems hemmen können. Im dargestellten Projekt soll geprüft werden, ob heterozyklische Schwefelharnstoffderivate die Aktivität der CamKII und der PP-2B auch in Herzmuskelzellen modulieren und dadurch die Ausbildung einer hypertrophen Kardiomyopathie beeinflussen.
Zudem haben eigene Versuche gezeigt, dass heterozyklische Schwefelharnstoffderivate organprotektive Mechanismen entfalten können, indem sie den programmierten Zelltod (Apoptose) hemmen sowie pro-inflammatorische Prozesse unterdrücken. Diese Erkenntnisse sollen auf Herzmuskelzellen ausgeweitet werden. Es soll untersucht werden, ob heterozyklische Schwefelharnstoffderivate den Calcium-abhängigen, den Ischämie-bedingten oder den inflammatorischen Zelluntergang von Herzmuskelzellen einschränken und dadurch entscheidende kardio-protektive Wirkmechanismen entfalten.

Projekt 4: Lungenprotektion

Projektbezeichnung:
Das Genexpressionsprofil beatmeter ARDS/ALI Patienten

Projekt- und Forschungsidee:

Das Genexpressionsprofil der Lungenbiopsien von ARDS Patienten während einer konservativen oder lungenprotektiven Beatmung soll anhand von GeneChip Exon Arrays (Affimetrix) dargestellt werden. Ein Datenabgleich mit Kontrollgewebe soll Aussagen zur krankheitsbedingten oder beatmungsinduzierten Genexpression und zur Bildung neuer Splice-Varianten (Exon-Mapping) ermöglichen. Der Nachweis eines vom Normalzustand abweichenden Genexpressionsmusters einschließlich des Auftretens neuer Splice-Varianten würde zu grundlegenden neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen führen:

- Anhand einer Literaturrecherche ist geplant, ARDS- und beatmungsabhängig regulierten Genen eine therapeutische Funktion zuzuordnen. Eine pharmakologische Einflussnahme auf die Aktivität der entsprechenden Genprodukte könnte den lebensbedrohlichen Verlauf von ARDS mindern.

- Eine Korrelation des Krankheitsverlaufes mit dem erfassten Datenprofil könnte zur Identifizierung neuer diagnostischer Marker führen. Diese Marker könnten zur Verlaufskontrolle eingesetzt werden oder eine individuelle, an den Krankheitsverlauf angelehnte gezielte Therapie ermöglichen.

- Die mechanische Belastung des Gewebes durch ein unphysiologisches Beatmungsmuster resultiert in einer Veränderung biochemischer intrazellulärer Vorgänge. Diese sind bisher kaum untersucht. Gleichermaßen sind die Auswirkungen von Frequenz, Amplitude und PEEP auf zelluläre Prozesse nur ansatzweise beschrieben oder werden konträr diskutiert. Beteiligte Mechanorezeptoren der mechanischen Lungenbeatmung sind unbekannt. Das erfasste Genexpressionsprofil könnte neue Hinweise zur Identifikation von involvierten Strukturproteinen und Mechanorezeptoren liefern. So ist es vorstellbar, dass sich Proteine unter erhöhtem Zug- und Dehnungsverhalten durch alternatives Splicing an veränderte Rahmenbedingungen anpassen. Diese Prozesse lassen sich durch GeneChip Exon Arrays untersuchen. Aussagen zu intrazellulären Veränderungen bei unterschiedlichem tidalen Volumen und PEEP lassen sich durch den Vergleich des Datenprofils nach konservativer oder lungenprotektiver Beatmung treffen.

Somit bietet die Erhebung der geplanten Genexpressionsprofile eine einmalige Möglichkeit ein größeres Verständnis zum Ablauf von ARDS und dem Einfluss einer differenzierten Beatmung zu untersuchen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen könnten neue Therapiestrategien und Diagnosetools entwickelt bzw. optimiert werden, um dadurch die bestehende hohe Mortalität bei ARDS zu senken.
Viele Therapiekonzepte, welche anhand von in vitro Zellkulturexperimenten und Tiermodellen erarbeitet wurden, zeigten in klinischen Studien meist nur einen geringen oder gar keinen Patientennutzen. Deshalb sollen im letzten Versuchsabschnitt Transkriptome aus Lungenbiopsien beatmeter, lungengeschädigter Versuchstiere und aus in vitro zyklisch gedehnter lebend-Lungenschnitten erstellt werden. Ein Vergleich der experimentellen Datenprofile mit dem Transkriptom beatmeter ARDS/ALI-Patienten würde erstmals Rückschlüsse auf die Verwertbarkeit von etablierten experimentellen Labormodellen zur Erstellung klinischer Therapiekonzepte zulassen.

Projekt 5: Zytoprotektion

Projektbezeichnung:
Einfluss von Sesquiterpenlactonen auf die Proteinneusynthese

Projekt- und Forschungsidee:

Sesquiterpenlactone sind Naturstoffe, welche als Sekundärmetabolite in traditionellen Heilpflanzen zu finden sind. Die verschiedenen Sesquiterpenlactone wirken antimikrobiell, entzündungshemmend oder zytostatisch und sind daher interessante Kandidaten zur Behandlung von Malaria und entzündlichen Erkrankungen sowie für die Krebstherapie. Wesentliche Effekte dieser Naturstoffe werden auf eine Hemmung zentraler Transkriptionsfaktoren zurückgeführt. Wir konnten zeigen, dass einige dieser Wirkstoffe in der Lage sind auch die Translation direkt zu beeinträchtigen, indem sie ribosomale Initiationsfaktoren und Elongationsfaktoren modifizieren und damit die Anlagerung und Verknüpfung aminoacyl-beladener tRNAs am Ribosom unterbinden. Der dafür verantwortliche Mechanismus und die Konsequenzen der Proteinneusynthese-Inhibition sollen in diesem Projekt aufgeklärt werden.

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