4D Bildgebung / Kardiale NanoDynamiken

In der Sektion 4D Bildgebung verwenden wir experimentelle Ansätze, um die dynamische kardiale Ultrastruktur auf der Nano- bis Mikroskala zu untersuchen. Im Rahmen unserer Forschung versuchen wir zu verstehen, wie die verschiedenen Zellen des Herzens auf ihre Umgebung reagieren, beispielsweise auf mechanische Reize (wie Kontraktionen) oder auf Signale, die von benachbarten Zellen ausgehen.

Hauptforschungsgebiete sind:

Ultrastruktur und Funktion subzellulärer Domänen im schlagenden Herzen

Die äußerlich erscheinende Gleichförmigkeit der Kontraktionen der Herzmuskelzellen resultiert aus der Koordination zahlreicher, räumlich und zeitlich heterogener Prozesse, die spezialisierte subzelluläre Nanodomänen einbeziehen. Wir untersuchen die Herzschlag-zu-Herzschlag-basierte Autoregulation der Herzfunktion auf der Nanoskala und postulieren, dass der Herzschlag nicht lediglich das Ergebnis der Aktivität von Herzmuskelzellen ist, sondern einen intrinsischen Regulator darstellt, der die Struktur und Funktion von Nanodomänen kontinuierlich modifiziert, um das System auf den nächsten Herzschlag vorzubereiten.

Hierzu setzen wir zeitaufgelöste dreidimensionale Elektronenmikroskopie, subzelluläre funktionelle Bildgebung, ultrastrukturelle Proteomik sowie KI-gestützte Datenanalyse ein, um die ultrastrukturelle Dynamik des Herzens auf der Skala von Nanometern und Millisekunden zu kartieren.

Segmentierung von Organellen von Herzmuskelzellen in einem 3D-Elektronentomographie-Volumen. Bild: Dr. J. Greiner.

Interaktion zwischen Herzmuskel- und Bindegewebszellen im Herzen

Wir untersuchen die nanoskaligen Interaktion zwischen Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) und Bindegewebszellen (Fibroblasten) im Kontext des fibrotischen Gewebeumbaus. Insbesondere analysieren wir die Rolle dynamischer fibroblastärer Membran-Nanotubuli im Prozess der extrazellulären Matrixablagerung an der Schnittstelle zu Kardiomyozyten sowie innerhalb kardialer Nanodomänen.

Hierzu verwenden wir zeitaufgelöste Licht- und Elektronenmikroskopie, Modelle humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) sowie Proteomik, um Einblicke in nanoskalige Mechanismen des fibrotischen Gewebeumbaus zu gewinnen und Strategien zur gezielten Modulation der Fibroblasten-Kardiomyozyten Interaktionen zu entwickeln.

A: Kokultur aus primären humanen kardialen Fibroblasten (FB, rechts) und hiPSC-Kardiomyozyten (links); fibroblastäre Membran-Nanotubuli (FB-MNT) interagieren direkt mit den Membranen der hiPSC-Kardiomyozyten.

B: Fibroblastäre Membran-Nanotubuli können mittels 3D-Kryo-Elektronentomographie visualisiert werden. Innerhalb der fibroblastären Membran-Nanotubuli werden zahlreiche Strukturen nachgewiesen, darunter Aktin, Vesikel sowie Organellen wie Mitochondrien

Interaktion zwischen Herzmuskel- und Nervenzellen im Herzen

Das intrakardiale Nervensystem spielt eine zentrale Rolle bei der fein abgestimmten Regulation der Herzfunktion. Die Effizienz und Präzision der neuro-kardialen Kommunikation werden maßgeblich durch die ultrastrukturelle Geometrie der Schnittstelle zwischen Nervenzellen (Neuronen) und Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) bestimmt. Trotz ihrer funktionellen Bedeutung ist die nanoskalige Architektur und dynamische Organisation der neuro-kardialen Synapse bislang nur unzureichend verstanden.

Wir untersuchen die strukturelle Organisation und funktionellen Eigenschaften der neuro-kardialen Schnittstelle auf der Nanoskala unter Verwendung von hiPSC-Modellen sowie modernen hochauflösenden Bildgebungsverfahren.

A: Schematische Darstellung der vermuteten Struktur der neuro-kardialen Schnittstelle, die einen sympathischen Nervenendknopf zeigt, welches eine enge synapsenähnliche Annäherung an einen Kardiomyozyten ausbildet. Dabei sind die Stellen für Vesikelfreisetzung direkt gegenüber den postsynaptischen Rezeptoren positioniert.

B: Dreidimensionale Elektronenmikroskopie und Rekonstruktion unmyelinisierter Nervenfasern im Sinusknoten der Maus.

Mechanische Verformung der Ultrastruktur von Herzmuskelzellen - Struktur und Funktion
Entwicklung neuartiger lebender fluoreszenter Ionenindikatoren
Korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie
Nanoskalige Mechanismen des fibrotischen Remodellings
Organotypische Schnittkulturmodelle
Neuron-Kardiomyozyten-Crosstalk