Neurochemisches Labor

Leitung

 

Prof. Dr. rer. nat. Detlef Siemen

 

Mitarbeiter

 

Yu Cheng (M. Eng.)
Cand. med. Maire Käding
Adrian Schultze (Arzt)
Dr. med. Falk R. Wiedemann

 

Kooperationen


P. Bednarczyk, PhD (Dept. of Biophysics, Warsaw University of Life Science, SWWG)
X.Q. Gu, PhD (Assistant Prof., Dept. of Pediatrics, UCSD)
G.G. Haddad, MD (Professor and Chairman, Dept. of Pediatrics; Dept. of Neuroscience, UCSD; Physician-in-Chief, Children´s Hospital of San Diego; The Rady Children´s Hospital, San Diego)
S. Parvez, PhD (Leibniz-Institut für Neuro­bio­logie, Magdeburg)
Prof. Dr. P. Schönfeld (Institut für Biochemie, O.v.G.-Universität Magdeburg)
Prof. Adam Szewczyk, PhD (Nencki Institute of Experimental Biology, Polnische Akademie der Wissenschaften, Warschau)
Prof. Dr. G. Wolf, Dipl.-Biol. K. Kupsch (Institut für Medizinische Neurobiologie, O.v.G.-Univer­si­tät Magdeburg)

 

Thema


Für viele neurodegenerative Erkrankungen wurde ge­zeigt, dass der Neuronenuntergang durch Aktivie­rung einer Apoptosekaskade erfolgt. Man unter­schei­det die intrinsische Kaskade, die unter Einbeziehung der Mito­chondrien abläuft und die extrinsische Kaskade bei der das nicht der Fall ist. Es wird immer deutlicher, dass Neu­roprotektion durch Unterbrechung der Apoptose­kaskade innerhalb oder außerhalb der Mitochondrien er­folgen kann.
Außerhalb der Mitochondrien hat man bis hin zum klinischen Test versucht, verschiedene Caspasen zu blockieren. Da die Caspase-Inhibitoren aber vielfach nicht spezifisch sind und der Crosstalk zwischen den Caspasen komplizierter ist, als bisher angenom­men, waren diese Versuche bisher wenig er­folg­reich.
Wir sind einen anderen Weg gegangen, indem wir Substanzen, denen neuroprotektive Wirkung nachge­sagt wurde, auf ihre Wirkung an Mitochondrien unter­sucht haben.  So wollen wir:

 

- die im Mitochondrium ablaufenden Apoptose­mecha­nismen besser verstehen
- aus den Ergebnissen ableiten, wo die dazugehörigen Signalkaska­den gezielt unterbrochen werden können, um Krankheitsverläufe zu verlangsamen
- die Pathophysiologie neurodegenerativer Krankhei­ten besser verstehen

 

Forschungsaktivitäten


Bestes Beispiel ist der weltweit meist­verschriebene Dopamin-Agonist zur Parkinson-Be­hand­lung, das Pra­mi­pexol (Handelsname Sifrol®). Pati­enten schei­nen un­ter Pramipexol in den Motor-Scores gegenüber der L-Dopa Therapie ca. zwei Jahre zu gewinnen. Dabei stell­­ten wir in Einzel­kanal­unter­suchungen an der in­ne­ren Mitochon­drienmembran und mit Atmungs- und ver­schiedenen anderen Messungen an intakten Mito­chon­drien fest, dass Pramipexol die Permeability Tran­si­tion Pore blockiert. Die Öffnung dieser Pore ist der „Point of no return“ in der Apopto­se­kaskade, denn durch sie werden Substanzen aus dem mitochon­dria­len Spalt freigesetzt, die die Aktivator-Cas­pasen (3, 9) aktivie­ren, die dann ihrerseits zur Fragmentierung der DNA im Zellkern führen.


Da wir in Kooperation mit dem damaligen Institut für Medizinische Neurobiologie für das Melatonin, dem ebenfalls neuroprotektive Wirkung nachgesagt wird,  in fast lückenloser Kette vom einzelnen Protein zum intakten Rattenorganismus fanden, dass die Neuro­pro­tek­tion durch Blockade der Permeability Tran­si­tion Pore erfolgt, gehen wir davon aus, dass bei beiden Neuroprotektiva der gleiche Mechanismus wirksam ist.


Beim Schlaganfall sterben viele Neurone in der Pen­umbra, einer Zone um den Kern des Insults, nicht ne­krotisch sondern ebenfalls durch den programmierten Zelltod. Deswegen fragte sich die Arbeitsgruppe, ob auch Sauerstoffmangel in den Mitochondrien die Apo­pto­se­kaskade aktivieren könnte. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von G.G. Haddad von der University of California San Diego (früher Albert-Einstein-College, New York), die langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Hypoxieforschung hat, versuchten wir in gegensei­ti­gem Wissenschaftleraustausch diese Frage zu klären.


Es zeigte sich, dass in diesem Fall nicht die Per­mea­bi­lity Tran­si­tion Pore der Angriffspunkt war, sondern ein calciumaktivierter Kaliumkanal vom BK-Typ, eben­falls in der inne­ren Mitochondrienmembran, der durch Hyp­oxie akti­viert wird. Wieder konnte durch Einzel­ka­nal­­unter­su­chun­gen mit der Patch-Clamp-Methode am ein­­zelnen Ka­nal­protein (Kanalströme von einigen Billi­onstel Ampere) gezeigt werden, wo die Signal­kas­kade ihren Ausgangspunkt hat. Die Blockade dieses Ka­nals mit dem hochtoxischen und sehr selektiven Neu­ro­toxin Iberiotoxin, aus dem Gift des Roten Indi­schen Skorpi­ons (Buthus tamulus), bewirkte in Atmungsexperimen­ten, dass die Permeability Tran­si­tion Pore jetzt aktiviert wur­de. Das bedeutet, dass Hypoxie über Aktivierung des BK-Kanals proapoptotisch wirkt. Dieser wichtige Befund bedeutet gleichzeitig, dass man Akti­va­toren des BK-Kanals, von denen tat­sächlich einige bekannt sind, darauf untersuchen muss, ob sie neuro­protektiv wirken.

 

Abb. 1

 

Abb. 1: Einzelkanalströme durch den BK-Kaliumkanal der inneren Mitochondrienmembran zeigen bei O2-Mangel vermehrt den offenen Zustand als bei normaler O2-Konzentration (Pfeil: geschlossener Zustand).


Spezialisten für die Untersuchung die­ses Kanals forschen an der Aka­de­mie der Wissen­schaften in War­schau im Labor von A. Szewczyk. Deswe­gen wurde im Berichtszeitraum eine Kooperation mit seiner Arbeits­gruppe begonnen. Es kam zu mehrfa­chem Austausch von Wissen­schaft­lern.
Wichtigstes Ergebnis dieser  Arbeiten ist, dass die Blockade eines Kaliumkanals die Permeability Tran­si­tion Pore öffnen kann, die beiden also funktionell verknüpft sind. Daraus läßt sich als Arbeitshypothese ableiten, dass die Blockade der Permeability Tran­si­tion Pore von der Natur als antiapoptotischer Mechanismus bevorzugt wird, während die Blockade des BK-Kanals als proapoptotischer Weg gewählt wird. Weitreichende pharmakologische Konsequenzen liegen auf der Hand.
 
Methodenspektrum:


- Arbeiten an frisch präparierten Zellen und Zellkultur
- Schwellungsassay
- Messung des mitochondrialen Membranpotentials
- Messung von mitochondrialem und intrazellulärem Calcium
- Hochauflösende Respirometrie
- Messung von Einzelkanalströmen an der inneren Mitochondrienmembran mit der Patch-Clamp-Methode