Im Strom der Bläschen

Presseinformation der LMU München vom 21.07.2017

In Zellvesikeln spielen Ionenkanäle bei zahlreichen Transportvorgängen eine entscheidende Rolle. LMU-Wissenschaftler haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie diese molekularen Schleusen spezifischer als bisher untersuchen können.

In Tierzellen bilden kleine Bläschen membranumgebene Vesikel, die als Endo- und Lysosomen bezeichnet werden und an zahlreichen Transportprozessen beteiligt sind. Ionenkanäle, durch die geladene Teilchen durch die Vesikelmembran geschleust werden, nehmen dabei eine Schlüsselposition ein. Defekte in diesem System spielen für die Entstehung zahlreicher Stoffwechselkrankheiten eine wichtige Rolle. Deshalb ist die Entschlüsselung ihrer Funktion auch therapeutisch bedeutsam. PD Christian Grimm und Professor Christian Wahl-Schott vom Department Pharmazie der LMU gehören zu den europaweit führenden Experten für die Untersuchung von endolysosomalen Ionenkanälen mithilfe der sogenannten Patch-Clamp-Technik, die sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Protocols beschreiben. Dem LMU Team ist es am von Professor Martin Biel geleiteten Lehrstuhl für Pharmakologie nun gelungen, die Methode so weiter zu entwickeln, dass spezifisch bestimmte Vesikel analysiert werden können. Dies eröffnet ganz neue Perspektiven, gezielt einzelne Ionenkanäle anzusteuern und zu modifizieren. Über die Weiterentwicklung der Methode berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Journals Cell Chemical Biology.

Das endolysosomale System der Zelle besteht aus sogenannten frühen und späten Endosomen, sowie Recycling-Endosomen und Lysosomen. Die verschiedenen Vesikel-Typen erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Frühe Endosomen nehmen in der Nähe der Zellmembran Partikel auf, die dann entweder über die Recycling-Endosomen zurück an die Zellmembran gelangen, oder zu den späten Endosomen und dann zu den Lysosomen transportiert werden, wo sie mithilfe von Enzymen zerlegt werden. Dieses System ist an zahlreichen Stoffwechselprozessen beteiligt und spielt auch bei der Regulierung des Schwermetallhaushalts oder für die korrekte Lokalisation bestimmter Membranrezeptoren eine wichtige Rolle. Dabei sind eine Vielzahl verschiedener Ionenkanäle involviert: „Laut Proteomstudien gibt es bis zu 70 verschiedene Ionenkanal-Transportproteine im Lysosom und Endosom“, sagt Grimm.

Mit der Patch-Clamp-Technik können die Wissenschaftler den Stromfluss durch einzelne Ionenkanäle messen und so feststellen, ob der Kanal aktiv oder inaktiv ist. Dazu saugen die Forscher einen kleinen Membranbereich mit einer Mikropipette leicht an. Mit einer Mikroelektrode legen sie anschließend eine Prüfspannung an und schicken einen Strom durch die Saugelektrode. „Allerdings sind die Vesikel in ihrem ursprünglichen Zustand zu klein, um von der Patch-Pipette erfasst zu werden, deshalb müssen sie vor der Messung vergrößert werden“, sagt Grimm. Die bisherigen pharmakologischen Tools hierfür vergrößerten allerdings unspezifisch alle endolysosomalen Vesikel-Typen. Auf der Suche nach besseren Wirkstoffen screenten die Wissenschaftler verschiedene Substanzen und entdeckten, dass eine bestimmte Kombination zweier Bio-Toxine sehr selektiv nur frühe Endosomen vergrößert, indem diese Vesikel zur Fusion angeregt werden. Außerdem konnten sie zeigen, dass ein weiteres Molekül selektiv nur späte Endosomen und Lysosomen vergrößert, während Recycling-Endosomen von keinem dieser Stoffe beeinflusst werden.

„Das ist ein großer Fortschritt, weil wir nun zwei Toolsets für eine spezifischere Herangehensweise haben und gezielt untersuchen können, welcher Kanal in welchem Vesikel aktiv ist“, sagt Grimm. Mit ihrem neuen Ansatz konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sogenannte TRPML3-Ionenkanäle, die den Kationenhaushalt und den pH-Wert regulieren, sowohl in frühen als auch in späten Endosomen und Lysosomen aktiv sind, während der verwandte TRPML1-Ionenkanal nur in späten Endosomen und Lysosomen, nicht jedoch in frühen Endosomen vorkommt. TRPML-Kanäle spielen bei der Entstehung zahlreicher Krankheiten eine Rolle, etwa bei der Mukolipidose, einer seltenen Stoffwechselkrankheit, die das Nervensystem beeinträchtigt. „Mit unserer weiterentwickelten Technik haben wir erstmals einen selektiven Zugang zu diesen Ionenkanälen. Das ist auch wichtig für mögliche therapeutische Anwendungen, mit denen gezielt bestimmte Kanäle gehemmt werden sollen“, sagt Grimm.

Publikationen:
Nature Protocols 2017
Cell Chemical Biology 2017

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Virologen der Saar-Uni entdecken neuen Mechanismus, der die Hautkrebs-Entstehung begünstigt

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 23.06.2017

Wer ohne Sonnenschutz im Sommer unterwegs ist, setzt seine Haut mitunter zu viel UV-Strahlung aus, die Hautkrebs verursachen kann. Forschern der Saar-Uni um Professorin Sigrun Smola ist es nun gelungen, einen bisher unbekannten Mechanismus zu entschlüsseln, der Hautkrebs fördern kann. Dabei spielen Haut-Papillomviren eine zentrale Rolle. Sie unterbrechen den natürlichen Schutzmechanismus der Haut. Beobachten konnten sie dies bei Patienten, die an einer seltenen Hautkrankheit „Epidermodysplasia verruciformis“ leiden und besonders anfällig sind, an sonnenbestrahlten Stellen Hautkrebs zu bekommen. Der Gendefekt führt dazu, dass sich in den betroffenen Hautpartien bestimmte Papillomviren vermehren können. Die Ergebnisse wurden gestern im Fachmagazin „PLOS Pathogens” veröffentlicht.

Die Rolle humaner Papillomviren ist bei der Entstehung von Gebärmutterhalskrebs gut erforscht. Auch bei Hautkrebs wird schon seit längerem vermutet, dass bestimmte Haut-Papillomviren eine Rolle spielen und die krebsfördernde Wirkung von UV-Licht begünstigen können. Anna Marthaler, weitere Mitarbeiter aus dem Team von Sigrun Smola und ihre Projektpartner aus dem Universitätsklinikum des Saarlandes bringen mit ihren Forschungsergebnissen nun Licht ins Dunkel.

Bei gesunden Menschen dämmen bestimmte Moleküle, wie der Faktor C/EBPα, die schädliche Wirkung von UV-Licht auf die Haut ein. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Papillomviren in den befallenen Hautpartien diesen Schutzmechanismus unterbrechen können. Hierfür reichte in ihren Experimenten mit organotypischen Hautkulturen ein einziges virales Protein, das so genannte HPV8 E6 Onkoprotein, aus. Als Folge wird die Arbeit einer bestimmten microRNA-203 gestört, die Stammzellen in Schach hält. Der Einfluss des viralen Onkoproteins führte daher dazu, dass diese „Bremse“ gelöst wird und sich Hautzellen mit Stammzellcharakter besser vermehren können. Viele Tumorarten haben ihren Ursprung in Stammzellen, die sich dann – wie im Falle des Hautkrebses durch zu viel UV-Licht – in Tumore verändern können.

Beobachten konnten die Wissenschaftler um Professorin Smola diese Ereigniskette an Patienten, die an der seltenen Erkrankung „Epidermodysplasia verruciformis“ leiden. Menschen, die diesen Gendefekt tragen, sind an den betroffenen Hautpartien sehr anfällig für bestimmte Haut-Papillomviren und erkranken infolgedessen vermehrt an Hautkrebs. Die saarländischen Forscher arbeiteten mit Gewebeproben der Erkrankten und konnten an diesen den unterbrochenen Wirkmechanismus nachweisen.

„Dieser Zusammenhang war bisher nicht bekannt. Interessant wird es sein, ob dieser Mechanismus auch für die Entstehung von Tumoren in anderen Gewebearten verantwortlich sein kann“, erklärt Sigrun Smola. „Außerdem eröffnet unsere Studie neue Möglichkeiten für die pharmazeutische Forschung an Medikamenten, die diesen Mechanismus wieder herstellen können.“

Publikation:
Die Studie „Identification of C/EBPα as a novel target of the HPV8 E6 protein regulating miR-203 in human keratinocytes“ ist am 22. Juni im Fachmagazin PLOS Pathogens erschienen und wurde durch die Staatskanzlei Saarland unterstützt.

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Afrikanische Genvariante verändert Blutzellen

Presseinformation der LMU München vom 01.06.2017

Eine vor allem bei Menschen afrikanischer Herkunft weit verbreitete Genvariante schützt vor Malaria. LMU-Forscher zeigen erstmals, wie sie auch die Eigenschaften wichtiger Abwehrzellen des Immunsystems beeinflusst.

Im Erbmaterial nahezu der gesamten Bevölkerung Afrikas südlich der Sahara und auch bei 70 Prozent der Afroamerikaner findet sich eine Genvariante, die als „Duffy-negativ“ bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass die Menschen, die sie in ihren Zellen tragen, seltener an Malaria erkranken. Seit Kurzem wird diese Variante auch mit einer gutartigen Verminderung der weißen Blutkörperchen – einer sogenannten benignen Neutropenie – in Verbindung gebracht. Obwohl weiße Blutkörperchen bei der angeborenen Immunabwehr eine wichtige Rolle spielen, neigen die Träger der Genvariante nicht zu vermehrten Infektionen. Im Rahmen einer von den LMU-Forschern Dr. Johan Duchêne, Professor Christian Weber und Professor Antal Rot (York, England) geleiteten Studie hat ein Wissenschaftler-Team aus Deutschland, Großbritannien, Spanien, Österreich und den USA nun aufgeklärt, auf welche Weise die Genvariante die Blutbildung beeinflusst und warum sie zu einer Neutropenie führt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Immunology.

Der überwiegende Teil der Blutbildung findet im Knochenmark statt. Dabei differenzieren sogenannte multipotente hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen zu verschiedenen reifen Blutzellen, unter anderem zu neutrophilen Granulozyten, einer Untergruppe der weißen Blutzellen, und zu Erythrozyten, den roten Blutzellen. Duffy-negativen Menschen fehlt ein bestimmtes Eiweiß auf den roten Blutzellen, der „Atypical Chemokine Receptor 1“, kurz ACKR1, der mit chemischen Botenstoffen im Körper interagiert. Da auch einige Malaria-Erreger an ACKR1 andocken, sind Menschen ohne dieses Eiweiß besser vor einigen Formen der Erkrankung geschützt. „Auf welche Weise das Fehlen von ACKR1 auf den roten Blutzellen aber die weißen Blutzellen beeinflusst, war bisher völlig unbekannt“, sagt Duchêne.

Mithilfe von Untersuchungen am Mausmodell konnten die Wissenschaftler nun zeigen, dass dieser Zusammenhang auf Mechanismen bei der Differenzierung der blutbildenden Stamm- und Vorläuferzellen beruht: Spezielle Vorläufer-Erythrozyten bilden im Knochenmark eine „Nische“, in der sich die hämatopoetischen Stammzellen befinden – und die Expression von ACKR1 auf diesen Vorläufer-Erythrozyten entscheidet über das weitere Schicksal der Stammzellen. „Wenn die Vorläufer-Erythrozyten kein ACKR1 bilden, differenzieren die Stammzellen zu neutrophilen Granulozyten, die sich molekular und funktional von denen unterscheiden, die nach Kontakt mit ACKR1 gebildet werden“, sagt Rot. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass diese veränderten Neutrophilen den Blutkreislauf leicht verlassen und in Gewebe, vor allem in die Milz, einwandern.“ Dadurch sinkt die Anzahl an Neutrophilen im Blut und die typische Neutropenie entsteht. Ob die in die Milz gewanderten Neutrophilen dort überdauern und zur Immunabwehr beitragen, ist noch unklar.

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnten die veränderten Eigenschaften der Neutrophilen bei Duffy-negativen Personen die Abwehr von Krankheitserregern positiv beeinflussen und daher einen Selektionsvorteil darstellen. „Aber eine stärkere Immunantwort kann natürlich auch kontraproduktiv sein, etwa wenn die Immunreaktion ohnehin überschießt und zu chronischen Entzündungen und Autoimmunkrankheiten führt“, sagt Weber. Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler daher untersuchen, wie die alternative Blutbildung ohne ACKR1 die Abwehr von Infektionskrankheiten sowie Entzündungen, Atherosklerose, Gefäßerkrankungen und Krebs beeinflusst. Dies könnte helfen, neue gezielte Behandlungsstrategien für Duffy-negative Patienten zu entwickeln.

Publikation:
Nature Immunology 2017

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Designerviren stacheln Immunabwehr gegen Krebszellen an

Medienmitteilung der Universität Basel vom 26.05.2017

Schweizer Forscher haben künstliche Viren gebaut, die gezielt gegen Krebserkrankungen eingesetzt werden können. Diese Designerviren alarmieren das Immunsystem und leiten es an, Killerzellen in den Kampf gegen den Krebs zu schicken. Die Ergebnisse von Basler Virologen und Genfer Immunologen, veröffentlicht im Fachblatt «Nature Communications», bilden eine Grundlage für neuartige Krebstherapien.

Die meisten Krebszellen regen die körpereigene Abwehr, das Immunsystem, eher schlecht an und können daher ohne merkliche Gegenwehr wachsen. Ganz anders bei Virusinfektionen: Die eindringenden Viren führen im Körper zur Freisetzung von Alarmsignalen, worauf das Immunsystem alle verfügbaren Mittel zum Kampf gegen den Eindringling einsetzt.

Verstärkter Abwehrkampf

Immuntherapien, welche das Abwehrsystem des Körpers «enthemmen», werden seit einigen Jahren erfolgreich zur Krebsbehandlung eingesetzt. Dadurch wird auch sein halbherzig geführter Kampf gegen die Krebszellen verstärkt. Doch das Immunsystem dazu anzustacheln, dass es spezifisch, gezielt und mit aller Kraft gegen Krebszellen vorgeht, blieb ein weitgehend unerreichtes Ziel. Den Forschenden um Prof. Daniel Pinschewer von der Universität Basel und Prof. Doron Merkler von der Universität Genf ist es nun gelungen, neuartige Designerviren herzustellen, die genau dies bewirken sollen.

Die Forschenden haben die künstlichen Viren aus dem lymphozytären Choriomeningitis-Virus (LCMV) gebaut, welches Nagetiere, aber auch Menschen befallen kann. Sie waren für Mäuse zwar ungefährlich, lösten bei ihnen aber die für Virusinfektionen typischen Alarmsignale aus. Zudem bauten die Biomediziner den Viren besondere Eiweisse ein, die sonst nur in Krebszellen vorkommen. Bei einer Infektion mit dem Designervirus konnte das Immunsystem diese Krebseiweisse nun als gefährlich erkennen.

Die einzigartige Kombination von Alarmsignalen und dem Eiweiss von Krebszellen brachte das Immunsystem dazu, eine schlagkräftige Armee von zytotoxischen T-Lymphozyten herzustellen, die auch Killerzellen genannt werden. Diese konnten die Krebszellen anhand ihres Eiweisses gezielt erkennen und erfolgreich bekämpfen.

Hoffnung auf neue Krebstherapien

Die Behandlungsmöglichkeiten für Krebspatienten haben sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt. Dennoch sprechen viele Krebsarten nach wie vor unzureichend auf die derzeit verfügbaren Therapien an, wie die Forschenden schreiben. «Wir erhoffen uns, dass unsere neuen Erkenntnisse und Technologien bald in der Krebstherapie Anwendung finden und einen Beitrag leisten, die Behandlungserfolge bei Krebs weiter zu steigern», sagt der Letztautor der Studie, Prof. Daniel Pinschewer.

Originalbeitrag:
Sandra M. Kallert, Stephanie Darbre, Weldy V. Bonilla, Mario Kreutzfeldt, Nicolas Page, Philipp Müller, Matthias Kreuzaler, Min Lu, Stéphanie Favre, Florian Kreppel, Max Löhning, Sanjiv A. Luther, Alfred Zippelius, Doron Merkler, & Daniel D. Pinschewer
Replicating viral vector platform exploits alarmin signals for potent CD8+ T cell-mediated tumour immunotherapy
Nature Communications (2017), doi: 10.1038/ncomms15327

Externer Link: www.unibas.ch

High Tech aus Oberösterreich: Künstliche Nerven für schnellere Heilung

Presseaussendung der JKU Linz vom 19.05.2017

Gemeinsam mit oberösterreichischen Forschungseinrichtungen haben WissenschaftlerInnen der Johannes Kepler Universität ein Verfahren entwickelt, bei dem durch künstliche Nervenzellen die Regeneration verletzten Gewebes beschleunigt werden soll. Der revolutionäre Ansatz wurde nun bei einem internationalen Wettbewerb als beste Life-Science-Geschäftsidee ausgezeichnet.

Theoretische Erkenntnisse praktisch umzusetzen ist eine Stärke der Kepler Universität. Daher gründete Dr. Klaus Schröder gemeinsam mit den JKU-Professoren Oliver Brüggemann und Ian Teasdale (beide Institut für Chemie der Polymere) 2016 das Unternehmen NP Life Science Technologies KG. Die Wissenschaftler entwickeln ein bioabbaubares Implantat, das die Regeneration geschädigter, getrennter peripherer Nerven unterstützen wird. Es hat eine Länge von einigen Millimetern und besteht aus zahlreichen parallel ausgerichteten Mikrokanälen.

„Es bildet damit sozusagen die Struktur eines Nervs nach. Den mikrometer-großen regenerierenden echten Nervenzellen und deren Ausläufern bietet es eine unmittelbare Wachstumsrichtung zwischen den Nervenenden. Die schnellere Regeneration ist vorteilhaft für PatientInnen, da sie mit einer schnelleren Ausheilung und einer dauerhaften Wiederherstellung der Lebensqualität einhergeht“, erklärt Univ.-Prof. Brüggemann.

Patent erteilt

Das Patent für dieses Verfahren  wurde in Österreich bereits erteilt. „Der Erfolg beruht darauf, dass wir auf Basis des bioanorganischen Kunststoffs Polyphosphazen organähnliche Strukturen nachbilden lassen, die in die Zellen des Körpers einwandern und geschädigte und zerstörte Gewebe regenerieren. Polyphosphazene bieten den Vorteil, dass man sie chemisch sehr gut modifizieren und sie somit den biologischen Bedürfnissen eines Gewebes anpassen kann“, erklärt Univ.-Prof. Teasdale.

Auszeichnung als beste Idee

Bereits jetzt kann das Start-up-Unternehmen einen großen Erfolg verbuchen: Am 27. April wurde die NP Life Science Technologies KG mit dem Best of Biotech Award Phase 1 ausgezeichnet. 31 Einreichungen aus drei Ländern wurden von der Fachjury eingehend geprüft. „Wir freuen uns, dass unser Projekt so erfolgreich ist“, erklärt NP-Life-Science-Technologies-CEO Dr. Klaus Schröder. „Nun hoffen wir, dass wir bald unseren ersten Prototypen für Nerven präsentieren können.“

High Tech aus Oberösterreich soll somit Menschen auf aller Welt helfen. „Schade, dass wir der einzige Wettbewerbsteilnehmer aus Oberösterreich waren“, bedauert Schröder, und hofft, dass die Vision eines „Medical Valley“ im Bundesland Wirklichkeit wird.

NP Life Science Technologies KG ist ein Unternehmen, das sich der Erforschung und Entwicklung von funktionalisierten Polymerstrukturen widmet. Das umfasst u.a. die Entwicklung von Medizinprodukten, die den menschlichen Organismus bei der Regeneration traumatisierter Gewebe unterstützten und die Funktionalität wiederherstellen. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at