INSTITUT FÜR PROPHYLAXE UND EPIDEMIOLOGIE DER KREISLAUFKRANKHEITEN - August-Lenz-Stiftung -

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1 Rechenschaftsbericht 2006 zum Nachweis über die Erfüllung des Stiftungszweckes INSTITUT FÜR PROPHYLAXE UND EPIDEMIOLOGIE DER KREISLAUFKRANKHEITEN - August-Lenz-Stiftung - Direktor: Prof. Dr. med. P. C. Weber 1. MITARBEITER Prof. Dr. med. Reinhard Lorenz Prof. Dr. med. Wolfgang Siess PD Dr.rer.biol.hum.habil. Stefan Linder PD Dr. rer.biol.hum.habil. Wolfgang Erl Dr. med. Adelheid Clados Dr. rer. nat. Christian Johannes Dr.rer.biol.hum. P. Goyal (DFG, z. T. A.-L.-St.) Dr. Vera Krump-Konvalinkova (z.t. DFG) Antje Behring, Pharmazeutin (DFG) Dipl. Biol Reinhard Brauner (DFG) Dipl. Biol. Ilona Chwalla (DFG) M.Sc. Susanne Cornfine (DFG) Dipl.Biochem. Anna Khandoga (DFG) Dr.rer.biol.hum. Petra Kopp (DFG) M.Sc. D. Pandey (DFG, z. T. A.-L.-St.) Dipl. Biol. Sandra Penz (DFG) Dipl. Biol. Ariane Rode (DFG) Dipl. Biol. Sabine Rode (DFG) Dipl. Biol. Vanessa van Vliet (DFG) 5 med. Doktoranden/innen 8 technische Mitarbeiter, Labor- und Büroangestellte (z. T. August-Lenz-Stiftung) 2. KLINISCHE LEISTUNGSDATEN 2.1. Patientenbezogene Untersuchungen Ambulante Mehrfachuntersuchungen: ca.1000 Patienten mit internistischen, insbesondere kardiovaskulären Erkrankungen und zur Vorsorge Laborleistungen: In den Labors des Kreislaufinstitutes werden Untersuchungen zur Diagnostik sekundärer Hypertonieformen (z. B. Nierenarterienstenose, endokrin aktive Niere, Conn-Syndrom, Phäochromozytom, Elektrolytstörungen) vorgenommen. Weiterhin werden spezielle Laborbestimmungen bei Vitaminmangelerkrankungen durchgeführt und unter kontrollierten Bedingungen Analysen antioxidativer Vitamine, sowie spezieller Risiko-Marker für Arteriosklerose angeboten. 3. LEHRE Seminare innerhalb des DFG-Graduiertenkollegs Vaskuläre Biologie in der Medizin Kurse (EKG, Zellbiologie) Journal-Clubs Kolloquien

2 4. FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE Ziel der Arbeiten am Institut ist die Erforschung der Ursachen, der Früherkennung und Diagnostik sowie der Behandlung und Vorbeugung von Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems. Schwerpunkte liegen bei der Aufklärung molekularer Prozesse des vaskulären Gewebsumbaus und früher Erkrankungs- bzw. Risikomarker der Arteriosklerose. Die Untersuchungen betreffen Mechanismen der Arteriosklerose-Entstehung und -Rückbildung wie die Einwanderung von Zellen aus der Blutbahn in die Gefäßwände, die Ansammlung in und Ausschleusung von Cholesterin aus den Arterien, die überschießende Proliferation und den Untergang vaskulärer Zellen, die Biologie zirkulierender Endothelvorläuferzellen sowie die intra-arterielle Thrombosebildung nach Ruptur arteriosklerotischer Plaques. Einige aktuelle Forschungsergebnisse haben bereits Bedeutung für die Behandlung. Daneben können Messungen von Fettsäurezusammensetzung und Eikosanoidbildung, von Lipiden und sekundären Pflanzenstoffen sowie Untersuchungen an zirkulierenden Immunzellen Aufschluss über biologische Effekte von Nahrungskomponenten und Pharmaka geben. Untersuchungen zur Plaque-induzierten Thrombusbildung und deren Hemmung mittels GPIb-Antikörpern, ADP-Rezeptor-Antagonisten und Aspirin Erosionen und Rupturen arteriosklerotischer Plaques sind wesentliche Auslöser koronarer und zerebraler Thrombosen. Ausser spezifischen Lysophosphatidsäure (LPA)-Molekülen im lipidrich core (z.bsp. alkyl-lpa) wurden Kollagen-Typ I und -Typ III enthaltende, heterogene Strukturen in fibrösen Anteilen arteriosklerotischer Plaques identifiziert, die Thrombozyten über G-Protein gekoppelte LPA-Rezeptoren bzw. den Kollagen-Rezeptor Glykoprotein VI aktivieren. Untersuchungen zur Hemmung der Plaque-induzierten Thrombozytenadhäsion/ Aggregation im Blut unter arteriellen Flussbedingungen unterschiedlicher Scherrate zeigten, dass Aspirin nicht und ADP-Rezeptorantagonisten nur eine geringe Wirkung zeigten (30 % Hemmung). Ein Antikörper, der die Bindung von vwf an den thrombozytären Rezeptor GPIb hemmt, inhibierte die Thrombozytenadhäsion nur bei höheren Scherraten, war aber wirkungslos bei geringfügig niedrigeren Scherraten. Diese Untersuchungen unterstreichen die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Thrombozyten-hemmender Medikamente zur Prävention und Behandlung akuter atherothrombotischer Stadien kardiovaskulärer Erkrankungen. Innerhalb dieser Untersuchungen wurde ein neues Gerät eingesetzt und evaluiert, mit dem zuverlässig die Thrombozytenaggregation in anticoaguliertem Blut gemessen werden kann. Cofilin-Dephosphorylierung und Thrombozytenaktivierung Die rasche Cofilindephosphorylierung in aktivierten Thrombozyten wird durch eine Ca 2+ - Erhöhung stimuliert, und reguliert über eine vermehrte Bindung von Cofilin an F-Aktin primär die Sekretion und erst sekundär die Aggregation. Diese noch unbekannte Cofilin-Phosphatase könnte somit ein wichtiger Angriffspunkt für neue Thrombozyten-hemmende Pharmaka darstellen. Identifizierung von Kern-Lokalisationssignalen der LIM-Kinase2 in Endothelzellen LIM-kinasen (LIMK1 und LIMK2) regulieren über die Phosphorylierung von Cofilin die Aktindynamik. In Endothelzellen hat LIMK2 eine ungeklärte nukleäre Funktion. Das Enzym shuttelt in Endothelzellen zwischen Zytosol und Zellkern. Innerhalb der Kinasedomäne konnte ein an basischen Aminosäuren reiches Motif (AA ) identifiziert werden, welches nicht nur als Lokalisationssignal der Kinase in den Kern dient, sondern auch in den Nucleolus. Dieses kann durch Phosphorylierung durch spezifische Kinasen reguliert werden. 2

3 Die Rolle des Tumorsuppressors p53 bei der Apoptose in Gefäßwandzellen Proliferation und Apoptose in ausdifferenzierten Zellen und das Proliferationspotential von Vorläuferzellen bestimmen die Zellhomöostase und Regenerationsfähigkeit des Gefäßsystems. Bei der Atherosklerose tritt eine Störung dieses Gleichgewichts auf. Dies beeinflusst die Anzahl und Funktion der Progenitorzellen und kann zur Entstehung einer Restenose nach invasiver Eröffnung betroffener Gefäße beitragen. In proliferierenden Endothelzellen induziert die n-3 Fettsäure DHA Apoptose. Die Inaktivierung des Tumorsuppressorproteins p53 spielt dabei eine Rolle. In konfluenten Endothelzellen induziert das pro-atherogene LDL Oxidationsprodukt 4-Hydroxynonenal Apoptose. Dabei kommt es zu erhöhter Sauerstoffradikal-Bildung und einer verringerten Expression anti-apoptotischer Proteine. Im Gegensatz zu den Befunden in subkonfluenten Zellen reduziert eine Vorbehandlung der Endothelzellen mit DHA die durch HNE verursachte Apoptose. Dabei wird eine gesteigerte Expression des anti-apoptotischen Proteins iap-1 beobachtet. Zusätzlich führt DHA zu einer verzögerten Reduktion des Glutathionspiegels in Endothelzellen. Wie unsere bisherigen Arbeiten gezeigt haben, reagieren glatte Gefäßmuskelzellen der Neointima auf verschiedene Apoptosestimuli sensitiver als Zellen aus der Media. Auch hier scheint p53 eine wichtige Rolle zu spielen, da die Aktivierung dieses Proteins in Media und Neointima Zellen sehr unterschiedlich verläuft. Deshalb wird nun durch Beeinflussung des p53 Systems ( spezifische Inhibitoren und Aktivatoren, p53 sirna) die Bedeutung dieses wichtigen Zellzyklus-Regulators für die Apoptose glatter Gefäßmuskelzellen weiter untersucht. Regulation von Podosomen in humanen Makrophagen Podosomen in primären humanen Makrophagen sind Orte der Adhäsion und des Abbaus der extrazellulären Matrix. Dies spricht für eine wichtige Rolle dieser Strukuren bei physiologischen Vorgängen wie Extravasation und Einwanderung in Gewebe wie auch bei pathologischen Phänomenen wie Atherosklerose. Die dynamische Regulation des Zytoskeletts ist auf vielfache Weise in diese Vorgänge involviert. Wir konnten zeigen, dass Podosomen in lebenden Makrophagen direkt von Mikrotubuli Plus-Enden kontaktiert werden, und dass dieser Kontakt entscheidend für das dynamische Verhalten der Podosomen ist. Als zentraler Regulator dieses Mechanismus konnte KIF1C, ein Motorprotein der Kinesin-Familie, identifiziert werden. Nicht nur Mikrotubuli, auch das Aktin-Zytoskelett spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation von Podosomen. Unseren Daten zufolge sind der RhoGTPase-Effektor PAK4 und sein Regulator αpix massgeblich an der Ausbildung sowohl von Grösse als auch Anzahl der Podosomen in primären Makrophagen beteiligt (Gringel et al., J. Cell Physiol., 2006). Unsere Daten weisen demnach sowohl KIF1C als auch PAK4/αPIX als vielversprechende neue Zielmoleküle für die therapeutische Modulation der Makrophagen-Adhäsion und Invasion aus. In Zusammenarbeit mit Dres. R. Fässler und M. Moser (MPI für Biochemie, München) wurde zudem das Protein Kindlin als neue Komponente von Podosomen identifiziert. Mutationen der Isoform Kindlin-1 führen zum Kindler Syndrom, einer Dysfunktion von Keratinozyten. Wir konnten erstmals zeigen, dass die Isoform Kindlin-3 spezifisch in haematopoietischen Zellen exprimiert wird und an Podosomen von humanen wie murinen Makrophagen lokalisiert. Antioxidantien und zelluläre Regulation durch Oxylipide Basierend auf der Oxidationshypothese der Atherogenese wurden lipidlösliche Antioxidantien in hohen pharmakologischen Dosierungen zur Prophylaxe arteriosklerotischer Erkrankungen propagiert. Die zelluläre Expression von Schlüssel-Enzymen, -Rezeptoren und -Transportern wird aber durch zentrale Transkriptionsfaktoren wie PPARgamma, LXRalpha und FXR reguliert, 3

4 die ihrerseits durch Bindung spezifischer oxidierter Lipide erst aktiviert werden. Deshalb wurde die mögliche Störung der zellulären Lipidhomöostase durch hoch dosiertes α-tocopherol am humanen Makrophagenmodell untersucht. Pharmakologisch erreichbare Konzentrationen von α-tocopherol inhibierten die basale und durch oxidiertes LDL stimulierte Expression von wichtigen zellulären Scavenger-Rezeptoren und Cholesterin-Exportern. Die ist weitgehend durch eine α-tocopherol-bedingte Interferenz mit der Aktivierung der PPARgamma und LXRalpha- Signalwege erklärbar. Auf diesem Wege können hohe Dosen von α-tocopherol die Abräumung und Einschleusung extrazellulärer Lipidansammlungen in der Gefäßwand in den reversen Cholesterintransport durch Makrophagen inhibieren. Diese Mechanismen liegen offenbar den enttäuschenden klinischen Ergebnissen mit hochdosiertem α-tocopherol bei kardiovaskulären Indikationen in mehreren kontrollierten Studien zu Grunde. Die Forschungsprojekte wurden und werden gefördert durch das Bundesministerium für Forschung und Technologie, die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen von Sonderforschungsbereichen, Schwerpunktprogrammen, Einzelanträgen sowie dem DFG- Graduiertenkolleg Vaskuläre Biologie in der Medizin. Daneben werden Mittel des DAAD, des FöFoLe-Programmes und von Wissenschafts-Stiftungen, vor allem der August-Lenz-Stiftung, eingesetzt. 5. EINGEWORBENE DRITTMITTEL Förderinstitution Drittmittel 2005 ( /Tsd.) Drittmittel 2006 ( /Tsd.) DFG: SFB, Graduiertenkolleg, SPP, Einzelanträge Stiftungen: A.-Lenz-St., Fr. Baur-St., Else Kröner Fresenius-Stiftung FöFoLe, DAAD, Sonst Gesamt ERNENNUNGEN Promotionen (2 abgeschlossene Verfahren: 1 Dr.med., 1 Dr.rer.nat.) Dr. rer. nat. Petra Kopp, Dr. med. Florian Gundel 7. PUBLIKATIONEN Pfrommer CA, Erl W, Weber PC. (2006) Docosahexaenoic acid induces ciap1 mrna and protects human endothelial cells from stress-induced apoptosis. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 290(6):H (IF: 3,6) Pandey D, Goyal P, Bamburg JR, Siess W. (2006) Regulation of LIM-kinase 1 and cofilin in thrombin-stimulated platelets. Blood 107(2): (IF: 10,1) 4

5 Rubic T, Lorenz RL. (2006) Downregulated CD36 and oxldl uptake and stimulated ABCA1/G1 and cholesterol efflux as anti-atherosclerotic mechanisms of interleukin-10. Cardiovasc. Res. 69(2): (IF: 5,3) Kopp P, Lammers R, Aepfelbacher M, Woehlke G, Rudel T, Machuy N, Steffen W, Linder S.(2006) The kinesin KIF1C and microtubule plus ends regulate podosome dynamics in macrophages. Mol. Biol. Cell 17(6): (IF: 6,5) Gringel A, Walz D, Rosenberger G, Minden A, Kutsche K, Kopp P, Linder S. (2006) PAK4 and αpix determine podosome size and number in macrophages through localized actin regulation. J. Cell Physiol. 209(2): (IF: 4,4) Ussar S, Wang H-V, Linder S, Fässler R, Moser M. (2006) The kindlins: subcellular localization and expression during murine development. Exp. Cell. Res. 2006; 312(16): (IF: 4,2) Weber GF, Gaertner FC, Erl W, Janssen K-P, Blechert B, Holzmann B, Weighardt H, Essler M. (2006) IL-22 mediated tumor growth reduction correlates with inhibition of ERK1/2 and AKT phosphorylation and induction of cell cycle arrest in the G2/M phase. J. Immunol. 177(11): (IF: 6,4) Goyal P, Pandey D, Siess W. (2006) Phosphorylation-dependent regulation of unique nuclear and nucleolar localization signals of LIM kinase 2 in endothelial cells. J. Biol. Chem. 281(35): (IF: 5,9) Massberg S, Konrad I, Schürzinger K, Lorenz M, Schneider S, Zohlnhoefer D, Hoppe K, Schiemann M, Kennerknecht E, Sauer S, Schulz C,,Kerstan S, Rudelius M, Seidl S, Sorge F, Langer H, Peluso M, Goyal P, Vestweber D, Emambokus NR, Busch DH, Frampton J, Gawaz M. (2006) Platelets secrete stromal cell-derived factor 1α and recruit bone marrow-derived progenitor cells to arterial thrombi in vivo. J. Exp. Med. 203(5): (IF: 13,9) Siess W. (2006) Platelet interaciton with bioactive lipids formed by mild oxidation of lowdensity lipoprotein. Pathophysiol. Haemost. Thromb. 35(3-4): (IF: 0,9) Linder S. (2006) Sticking to adhesion: A conference focusing on cell-matrix contacts. Eur. J. Cell Biol. 2006; 85(3-4):143. (IF: 2,2) Daub K, Langer H, Seizer P, Stellos K, May AE, Goyal P, Bigalke B, Schönberger T, Geisler T, Siegel-Axel D, Oostendorp RAJ, Lindemann S, Gawaz M. (2006) Platelets induce differentiation of human CD34+ progenitor cells into foam cells and endothelial cells. FASEB J. 20(14): (IF: 7,1) Weisel T, Baum M, Eisenbrand G, Dietrich H, Will F, Stockis JP, Kulling S, Rufer C, Johannes C, Janzowski, C. (2006) An anthocyanin/polyphenolic-rich fruit juice reduces oxidative DNA damage and increases glutathione level in healthy probands. Biotechnol. J. (4): (IF: -) Tóth O, Calatzis A, Penz S, Losonczy H. Siess W. (2006) Multiple electrode aggregometry: A new device to measure platelet aggregation in whole blood. Thromb. Haemost. 96(6): (IF: 3,1) 5