Arteriosklerose: mit Turbo-Gen das Übel an der Wurzel packen

Interview mit JProf. Daniela Wenzel, Institut für Physiologie I der Universität Bonn

In Industrieländern leiden besonders viele Menschen an Arteriosklerose – mit teils tödlichen Folgen. Die Ablagerungen in den Blutgefäßen führen zu Schlaganfällen und Herzinfarkten. Eine neuartige Methode soll nun das Übel an der Wurzel packen und mittels Nanopartikel neue Turboersatzzellen in die Gefäße schleusen, die dort ihre heilende Wirkung entfalten und den Blutdruck regulieren sollen. Im Interview mit MEDICA.de erläutert Juniorprofessorin Daniela Wenzel, wie die Genersatztherapie funktioniert und wie viel Forschungsbedarf noch bis zur Anwendung am Menschen erfolgen muss.

09.02.2016

Foto: Daniela Wenzel

JProf. Daniela Wenzel; © Rolf Müller/Uni Bonn

Frau Prof. Wenzel, welche Gefahr geht von Arteriosklerose aus und welche Rolle spielen Endothelzellen dabei?


Daniela Wenzel:
Bei der Arteriosklerose ist die Funktion des Endothels eingeschränkt. Die dünne Zellschicht des Endothels kleidet normalerweise das Innere von Blutgefäßen aus und ist außerdem besonders wichtig für die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO). NO ist zum einen der wichtigste Mediator der Gefäßrelaxation und senkt somit den Blutdruck, zum anderen verhindert NO, dass sich Thromben im Gefäß bilden.

Als Folge einer Endothelschädigung wird weniger NO produziert. Bei Fortschreiten der Erkrankung steigt der Blutdruck, und es bilden sich Ablagerungen auf dem Endothel, die verkalken und das Gefäß einengen, was letztendlich den Blutfluss beeinträchtigt. Werden wichtige Organe in der Folge nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt, können Herzinfarkte und Schlaganfälle auftreten.

Sie haben eine Methode entwickelt, mit der sich geschädigte Endothelzellen durch "Turboersatzzellen" regenerieren lassen. Wie funktioniert diese?

Wenzel: Wenn ein Gefäßschaden diagnostiziert wird, ist das Endothel meist irreparabel geschädigt. Bei Anwendung der gegenwärtigen Behandlungsmethoden werden Verengungen im Gefäß mechanisch aufgedehnt und mit Stents dauerhaft fixiert. Alternativ können die Ablagerungen chirurgisch entfernt werden, nachdem das Gefäß operativ eröffnet wurde. Beide Methoden führen jedoch zu einer weiteren Schädigung des Endothels, das sich von selbst nicht regenerieren kann. Die Grundidee unseres Projektes besteht darin, die ursprüngliche Anatomie des Gefäßes wiederherzustellen. Es handelt sich somit um eine regenerative Zellersatztherapie. Das bedeutet, dass neue Endothelzellen benötigt werden, die eine gute Zellfunktion aufweisen. Daher wollten wir Zellersatz und Gentherapie kombinieren: Zunächst wurden Endothelzellen in einer Petrischale kultiviert und ihre NO-Produktion durch eine Gentherapie mit Überexpression der endothelialen NO-Synthase (eNOS) erhöht. Zu diesem Zweck wurden Lentiviren als Genfähren verwendet, da mit ihrer Hilfe ein Gen dauerhaft in die Zelle eingeschleust werden kann. Die mittels Gentherapie behandelten Endothelzellen wurden dann für die Zellersatztherapie verwendet.
Foto: Forscherinnen arbeiten am Versuchsaufbau

Wenzel (links) und Dr. Sarah Rieck untersuchen, wie sich krankhaft veränderte Blutgefäße durch Ersatzzellen regenerieren lassen; © Katharina Wislsperger/Ukom UKB

Darüber hinaus kommen bei der Therapie geschädigter Endothelzellen magnetische Nanopartikel zum Einsatz. Wofür werden sie eingesetzt?


Wenzel: Die magnetischen Nanopartikel werden für zwei Dinge benötigt: erstens zur Verbesserung des Gentransfers in die Endothelzellen. Lentiviren in Kombination mit magnetischen Nanopartikeln bilden Komplexe, die mit Hilfe eines Magneten sehr schnell und effizient mit den Zellen in Kontakt gebracht werden können. Somit werden mehr Zellen in einer kürzeren Zeit genetisch verändert. Nach einer halben Stunde haben die Zellen das Gen aufgenommen. Der Gesamtprozess der Zellbehandlung wird dadurch deutlich beschleunigt.

Der zweite Vorteil der Nanopartikel folgt aus ihrer Aufnahme in die Zelle. Die mit Nanopartikeln beladenen Zellen sind nach ihrem Einspritzen in das Gefäß mit Hilfe von externen Magneten steuerbar. Bei Verwendung eines geeigneten magnetischen Feldes können sie während des Blutflusses an der Gefäßwand zurückgehalten werden. Für eine effiziente radialsymmetrische Auskleidung der inneren Gefäßoberfläche wurde das Magnetdesign von unseren Kooperationspartnern an der TU München speziell für Gefäße optimiert.

Wie verlief die Versuchsreihe bisher?

Wenzel: Erste Versuche haben wir in einem ex vivo Gefäßperfusionsmodell vorgenommen. Dafür wurde eine Aorta aus der Maus isoliert und das Endothel entfernt. Nach der Positionierung des externen Magneten erfolgte die mehrmalige Perfusion der Aorta mit grün fluoreszierenden Endothelzellen. Die grüne Fluoreszenz diente der schnellen Identifikation der Zellen im Gefäß. Nach der Perfusion waren tatsächlich grüne Zellen entlang des ganzen Gefäßes zu sehen. Im Querschnitt zeigte sich die radialsymmetrische Ablagerung. Als nächstes haben wir den Schritt in die lebende Maus gewagt und testeten unsere Magnet-basierte Zellersatzstrategie in einem Krankheitsmodell, bei dem das Endothel der Halsschlagader mechanisch entfernt wird. Zwei Tage nach der Behandlung befanden sich die grünen Endothelzellen immer noch an ihrem Bestimmungsort in der Halsschlagader.
Foto: Endothelzellen leuchten grün auf

Die linke Abbildung zeigt ein Blutgefäß, das mit den fluoreszierenden Zellen (grün) besiedelt wurde. Rechts eine Detailaufnahme einer Gefäßwand mit Markierung des eNOS-Proteins (rot); © Rieck/Vosen/Uni Bonn

Haben denn die Zellen ihre Funktion aufgenommen und produzierten NO?


Wenzel:
Die Funktionsfähigkeit der behandelten Endothelzellen hatten wir bereits vorab im in-vitro-Experiment getestet. Tatsächlich produzierten die Zellen mehr NO, wenn sie in der Kulturschale mit den Komplexen behandelt worden waren. Zusätzlich haben wir sowohl in unseren Vorversuchen mit dem Perfusionsmodell als auch später in vivo eine isometrische Kraftmessung der behandelten Gefäße durchgeführt. Das heißt, wir haben ihre Kraftentwicklung bei Kontraktion untersucht. In diesen Experimenten konnten wir tatsächlich nachweisen, dass die behandelten Gefäße weniger stark kontrahieren, da sie mehr NO produzieren.

Wann kann man mit einem Einsatz bei Menschen rechnen?

Wenzel:
Für die Anwendung im Menschen ist insbesondere eine Anpassung des Magnetfeldes notwendig. Menschliche Gefäße sind deutlich größer als diejenigen der Maus und weisen einen höheren Blutfluss auf. Als Zwischenschritt sollten daher Experimente an Großtieren, wie zum Beispiel Schweinen, durchgeführt werden, um die Magnetanordnung zu optimieren. Somit wäre ein erster Schritt für die Anwendung am Menschen, die technologische Forschung bezüglich Magnetdesign und Magnetfeldstärke voranzutreiben. Die Vorversuche haben allerdings schon gezeigt, dass das Prinzip des Magnet-basierten Endothelzellersatzes funktionieren kann.
Foto: Melanie Günther; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Melanie Günther
MEDICA.de