Lehrstuhl für


Regenerative Medizin
kardiovaskulärer 
Erkrankungen

Prof. Dr.
Alessandra Moretti
Lehrstuhl für Regenerative Medizin kardiovaskulärer Erkrankungen
+ 49 89 4140 2947

Regenerative Medizin kardiovaskulärer Erkrankungen

Molekulare Kardiologie

Die Arbeitsgruppe Molekulare Kardiologie befasst sich mit den Grundlagen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen auf molekularer Ebene. Viele Krankheiten entstehen dadurch, dass bestimmte Schlüsselmoleküle nicht regelgerecht funktionieren. Dabei kann es sich beispielsweise um Ionenkanäle handeln, die den Strom geladener Teilchen durch die Zellmembranen regulieren und für die Feinsteuerung von Prozessen om Körper, wie z.B. der geordneten Kontraktion des Herzmuskels, verantwortlich sind. Auch bei sogenannten Transkriptionsfaktoren, die in einem komplexen Zusammenspiel dafür sorgen, dass in jeder Zelle jeweils zur richtigen Zeit die richtigen Abschnitte der DNA, die die genetische Information trägt, abgelesen und in Proteine „übersetzt“ werden, handelt es sich um solche Schlüsselmoleküle.
Eine Fehlfunktion solcher Schlüsselmoleküle kann verschiedene Ursachen haben. Durch einen Gendefekt kann das Molekül schon von Geburt an einen „Webfehler“ aufweisen. Durch bestimmte äußere Umstände, wie beispielsweise einen dauerhaft erhöhten Blutdruck, können Schlüsselmoleküle im Inneren der Zelle chemisch modifiziert werden, z.B. durch Ankopplung von Phosphatgruppen, was ebenfalls ihre normale Funktion beeinträchtigen kann. Die häufigsten Herz-Kreislauf-Krankheiten entstehen durch ein Zusammenspiel von genetischen Faktoren und Umwelteinflüssen.
Unser Ziel ist es, die Funktion solcher Schlüsselmoleküle im gesunden und im kranken Organismus genauer zu charakterisieren, um zu verstehen, wie es zur Entstehung verschiedener Krankheiten kommt. Ein solches molekulares Verständnis von einer Krankheit kann als Grundlage dienen, um neue Therapien zu entwickeln, mit denen die Ursachen der Krankheiten behandelt werden können.

 

Stammzellbiologie

Ein wichtiges Themengebiet unserer Arbeitsgruppe ist die kardiovaskuläre Stammzellbiologie. Hier werden vor allem zwei Schwerpunkte verfolgt. Ein Schwerpunkt unserer Arbeit ist die kardiale Entwicklungsbiologie. Im Rahmen der Embryonal- und Fetalentwicklung entsteht aus der befruchteten Eizelle ein menschlicher Organismus, der aus vielen Billionen spezialisierten Zellen besteht. Uns interessieren vor allem die Vorgänge im Rahmen der Entwicklung des Herzens, das bereits im Mutterleib funktionieren muss, einen komplexen Aufbau hat und aus vielen verschiedenen Zelltypen (z.B. Herzmuskelzellen, Zellen der Blutgefäße und Bindegewebszellen) besteht. Die Zellen, aus denen einmal ein Herz werden soll, müssen sich während der Entwicklung einerseits durch Zellteilung rapide vermehren und sich andererseits spezifizieren, also darauf festlegen, in welchen Zelltyp sie sich später einmal differenzieren werden. Wir konnten zeigen, dass im Laufe dieser Entwicklung verschiedene Typen von Progenitorzellen auftreten, die anhand der Expression bestimmter Markerproteine identifiziert werden können und die jeweils ein streng definiertes Differenzierungspotential aufweisen. So konnten wir zeigen, dass es eine Population von kardiovaskulären Progenitorzellen gibt, die sich in Zellen aller Hauptzelltypen des Herzens (Herzmuskelzellen, glatte Gefäßmuskelzellen, Endothelzellen) differenzieren kann und somit als eine „Vorläuferzelle des Herzens“ angesehen werden kann.
Hierarchie der im Rahmen der Entwicklung auftretenden Populationen kardiovaskulärer Progenitorzellen und ihre Spezifikation für verschiedene Zelllinien. Aus Lam et al. 2009.
Ein zweiter Schwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist die Anwendung von pluripotenten Stammzellen in der Erforschung kardiovaskulärer Krankheitsbilder. Neben embryonalen Stammzellen der Maus haben wir hier in den letzten Jahren wichtige Beiträge auf dem sich neu entwickelnden Forschungsgebiet der induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) geleistet.
Unter iPS-Zellen versteht man Stammzellen, die aus gewöhnlichen Körperzellen (z.B. Hautzellen) durch „Reprogrammierung“ gewonnen werden können. Die Körperzellen werden hierfür, z.B. durch eine Infektion mit speziellen Viren, dazu gebracht, einen spezifischen „Cocktail“ von Transkriptionsfaktoren zu bilden. Diese Transkriptionsfaktoren setzen dann in der Zelle eine Kaskade in Gang, die dazu führt, dass die Zellen „vergessen“, welche Art von Zellen sie einmal waren, und sich wieder wie embryonale Stammzellen verhalten: Die iPS-Zellen können im Labor unbegrenzt durch Zellteilung vermehrt werden und sind „pluripotent“, was bedeutet, dass sie das Potential haben, sich in alle Zelltypen des menschlichen Organismus zu differenzieren.

Die Herstellung von iPS-Zellen und bereits verwirklichte sowie mögliche zukünftige Anwendungen.
Die möglichen Anwendungsgebiete von iPS-Zellen im Bereich der Herz-Kreislauf-Forschung sind vielfältig. Ein wesentlicher Schritt ist die Möglichkeit, „patientenspezifische“ iPS-Zellen aus Hautzellen eines Patienten mit einer genetisch verursachten Erkrankung zu generieren. Diese iPS-Zellen – und alle Zellen, die durch Differenzierung aus diesen iPS-Zellen gewonnen werden – sind genetisch identisch mit dem Patienten. Eine mögliche Anwendung könnte darin bestehen, aus solchen iPS-Zellen Herzmuskelzellen zu züchten, die dazu verwendet werden könnten, ein schwaches Herz zu stärken. Von einer solchen Anwendung sind wir allerdings noch weit entfernt, da nicht geklärt ist, wie man beispielsweise verhindern kann, dass solche Zellen entarten.

Generierung von Kardiomyozyten aus humanen iPS-Zellen. Somatic cells: Beispiele von Körperzellen, aus denen durch Reprogrammierung iPS-Zellen hergestellt werden können (skin fibroblasts: aus einer Hautbiopsie gezüchtete Hautfibroblasten; T-Lymphocytes: aus dem Blut isolierte T-Lymphozyten). hiPSC: humane iPS-Zellen, gefärbt für die Stammzell-Marker NANOG (rot) und TRA1-81 (grün). hiPSC-derived myocytes: aus den iPS-Zellen durch Differenzierung gewonnene Herzmuskelzellen, gefärbt für verschiedene muskelspezifische Proteine (TnT, a-Actinin, MLC2a, MLC2v). Die für Herzmuskelzellen typische Querstreifung ist gut zu erkennen.
Ein Anwendungsgebiet, in dem wir schon heute erfolgreich sind, ist die Modellierung von Krankheiten. Werden die patientenspezifischen iPS-Zellen zu Herzmuskelzellen differenziert, kann man diese Zellen verwenden, um in ihnen die der Krankheit zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu untersuchen. Das ist im Rahmen von Herzerkrankungen insbesondere deshalb bedeutsam, weil es sehr schwer ist, an Herzmuskelgewebe von Patienten für Forschungszwecke heranzukommen (Bei manchen Herzoperationen werden Anteile des Herzens entfernt, die nicht mehr benötigt werden und dann mit Einverständnis des Patienten für die Forschung verwendet werden können. Allerdings gibt es bedeutsame Herzerkrankungen, die praktisch nie mit einer Operation behandelt werden, so dass dieser Weg oft verschlossen bleibt).
[iPS_Myocytes.jpg]
Messung eines spezifischen Kalium-Stroms (IKs) in aus patientenspezifischen iPS-Zellen eines am Long-QT-Syndrom Typ 1 leidenden Patienten generierten Herzmuskelzellen (rot) und in Kontrollzellen (schwarz). Im Herzmuskel des Patienten ist dieser Strom um 75 Prozent reduziert, was zur Verlängerung des QT-Intervalls im EKG und zur Anfälligkeit für Herzrhythmusstörungen führt.

Wir haben solche patientenspezifischen iPS-Zell-Linien von Patienten mit verschiedenen Krankheitsbildern (z.B. Long-QT-Syndrom, katecholaminerge polymorphe ventrikuläre Tachykardie, dilatative Kardiomyopathie, hypertrophe Kardiomyopathie, Hypoplastisches-Linksherz-Syndrom) erzeugt. Durch Untersuchungen an aus diesen iPS-Zellen hergestellten Herzmuskelzellen konnten wir verschiedene Mechanismen der Krankheitsentstehung nachvollziehen und die Fehlfunktion bestimmter Schlüsselmoleküle (z.B des Kalium-Kanals KCNQ1) auf molekularer Ebene untersuchen. Ein wichtiges Ziel für die Zukunft besteht darin, auf der Basis dieser aus iPS-Zellen hergestellten Herzmuskelzellen Systeme zu entwickeln, die die Entwicklung neuer Therapieverfahren erlauben.

 

Publikationen seit 2005

Laugwitz K-L, Moretti A, Lam J, Gruber P, Yinhong Chen, Woodard S, Lin L-Z, Cai C-L, Lu M, Reth M, Platoshyn O, Yuan J, Evans S & Chien KR (2005). Postnatal isl1+ cardioblasts enter fully differentiated cardiomyocyte lineages. Nature 433: 647-653.

Bott-Flügel L, Weig H-J, Knödler M, Städele C, Moretti A, Laugwitz K-L & Seyfarth M (2005). Gene transfer of the pancaspase inhibitor p35 reduces myocardial infarct size and improves cardiac function. J. Mol. Med. 83: 526-534. 

Moretti A, Caron, L, Nakano, A, Lam, JT, Chen, Y, Qyang, Y, Sasaki, M, Yunfu, S, Evans, S, Laugwitz, K-L & Chien KR (2006). Multipotent embryonic isl1+ progenitor cells lead to cardiac, smooth muscle, and endothelial cell diversification. Cell 127: 1151-1166. 

Qyang Y, Martin-Puig S, Chiravuri M, Chen S, Xu H, Bu L, Jiang X, Lin L, Granger A, Moretti A, Caron L, Wu X, Clarke J, Taketo MM, Laugwitz K-L, Moon RT, Gruber P, Evans SM, Ding S & Chien KR (2007). The renewal and differentiation of Isl1+ cardiovascular progenitors are controlled by a Wnt/β-catenin pathway. Cell Stem Cell 1: 1-15. 

Moretti A, Bellin M, Jung CB, Thies T, Takashima Y, Bernshausen A, Schiemann M, Fisher S, Moosmang S, Smith AG, Lam JT & Laugwitz KL (2010). Mouse and human induced pluripotent stem cells as a source for multipotent Isl1+ cardiovascular progenitors. FASEB J. 24: 700-711.

Onorati M, Camnasio S, Binetti M, Jung CB, Moretti A & Cattaneo E (2010). Generation of neuropotent self-renewing neuronal stem (NS) cells from muose fobroblast-derived induced pluripotent stem (iPS) cells. Mol. Cell. Neurosci. 43: 287-295. 

Lam JT, Moretti A & Laugwitz K-L (2010). Multipotent Progenitor Cells in Regenerative Medicine. In : Heart Regeneration: Stem Cells and Beyond. Editores F. Engel, T. Braun and A.F. Moorman. World Scientifi Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore.

Moretti A, Bellin M, Welling A, Jung CB, Lam JT, Bott-Flügel L, Dorn T, Gödel A, Höhnke C, Hofmann F, Seyfarth M, Sinnecker D, Schömig A & Laugwitz K-L (2010). Patient-specific induced pluripotent stem cell models for long-QT syndrome. N. Engl. J. Med. 363: 1397-409. 

Jung CB, Moretti A, Schnitzler MM, Iop L, Storch U, Bellin M, Dorn T, Ruppenthal S, Pfeiffer S, Goedel A, Dirschinger RJ, Seyfarth M, Lam JT, Sinnecker D, Gudermann T, Lipp P & Laugwitz K-L (2012). Dantrolene rescues arrhythmogenic RYR2 defect in a patient-specific stem cell model of catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia. EMBO Mol. Med. 3:180-191. 

Zhang H, Zou B, Yu H, Moretti A, Wang X, Yan W, Babcock JJ, Bellin M, McManus OB, Tomaselli G, Nan F, Laugwitz K-L & Li M (2012). Modulation of hERG potassium channel gating normalizes action potential duration prolonged by dysfunctional KCNQ1 potassium channel. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 109:11866–11871.

 

Reviews und Editorials

Chien KR, Moretti A & Laugwitz K-L (2004). ES cells to the Rescue. Science 306: 239-240.

Moretti A, Lam J, Evans S, & Laugwitz K-L (2007). Cardiovascular development towards biomedical applicability: Biology of Isl1+ cardiac progenitor cells in development and disease. Cell. Mol. Life Sci. 64: 674-682.

Laugwitz K-L, Moretti A, Nakano A & Chien KR (2008). Islet-1 Cardiovascular Progenitors: A single source for heart lineages? Development 135: 193-205.

Lam JT, Moretti A & Laugwitz KL (2009). Multipotent progenitor cells in regenerative cardiovascular medicine. Pediatr. Cardiol. 30: 690-8.

Evans SM, Moretti A & Laugwitz KL (2010).
MicroRNAs in a cardiac loop: progenitor or myocyte?
Dev. Cell 19: 787-8.

Dirschinger RJ, Goedel A, Moretti A, Laugwitz KL & Sinnecker D (2012). Recapitulating Long-QT syndrome using induced pluripotent stem cell technology. Pediatr. Cardiol. 33:950-8

Sinnecker D, Dirschinger RJ, Goedel A, Moretti A, Lipp P & Laugwitz KL. Induced pluripotent stem cells in cardiovascular research. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 2012 Mar 24. [Epub ahead of print]

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