4D Bildgebung / Kardiale NanoDynamiken

In der Sektion 4D Bildgebung beschäftigen wir uns mit der kardialen Ultrastruktur im Nano- bis Mikromaßstab. Mit experimentellen Ansätzen versuchen wir aufzuklären, wie die Mechanik (sowohl die aktive Mechanik wie Zelldeformation, als auch die passive Mechanik wie Veränderungen der Steifigkeit und Belastbarkeit) die Elektrophysiologie und kontraktile Aktivität des Herzens beeinflusst und umgekehrt. Wir sind auch an der Art und Weise, wie die vielen verschiedenen Zelltypen im Herzen miteinander kommunizieren, interessiert.

Hauptforschungsgebiete sind:

1. Verformung der Organellen während des Herzzyklus - Struktur und funktionelle Konsequenzen

Das Herz ist ein mechanisch-aktives und -reagierendes Organ, das seine passiven und aktiven mechanischen Eigenschaften als Reaktion auf veränderte Anforderungen (z.B. bei körperlicher Anstrengung, Schwangerschaft, frühe "adaptive" Stadien der Herzinsuffizienz) sowohl bei jedem Herzschlag als auch durch lang anhaltende Remodellierung kontinuierlich anpasst.

Einer unserer Forschungsschwerpunkte beschäftigt sich mit der Frage, wie sich intrazelluläre Strukturen innerhalb von Herzmuskelzellen verformen und wie diese Verformung die Funktion des Herzens beeinflusst. Wir untersuchen speziell die Transversal(T)-Tubuli (TT), das sarkoplasmatische Retikulum, Caveolae, Mitochondrien und das Zytoskelett. Wir analysieren die Struktur (mittels hochmodernen bildgebenden Methoden: Konfokal-, Multiphotonen- und Elektronenmikroskopie) und die Funktion (Kontraktilität, Ionendiffusion) sowohl von Einzelzellen als auch von multizellulären Präparaten, die mechanischen Manipulationen, wie elektrischer Stimulation und Dehnung, ausgesetzt sind.

A: 3D TT-Netzwerk in einer ventrikulären Herzmuskelzelle, Rekonstruktion basierend auf konfokaler Mikroskopie. B: Elektronentomographische Rekonstruktion, TT (grün), sarkoplasmatisches Retikulum (gelb), Mitochondrien (blau), Mikrotubuli (rot). C: TT werden bei Dehnung und Kontraktion deformiert (gequetscht), was zu einer schnelleren Durchmischung des TT-Gehalts führt (D).

2. Interaktionen zwischen Muskelzellen und Nicht-Muskelzellen im Herzen

Viele Narben - wie z.B. in der Haut - sind a-zellulär und bestehen überwiegend aus fibrillärem Kollagen. Im Herzen hingegen ist fibrotisches Gewebe sehr "lebendig", wobei das allgegenwärtige Netzwerk der extrazellulären Matrix (ECM) ein Gerüst für die strukturelle und mechanische Integration der darin eingebetteten Zellen bietet. Wir arbeiten an der Identifikation neuartiger Faktoren, die die bidirektionale Interaktion zwischen verschiedenen Zelltypen beeinflussen können. Dazu verwenden wir eine Kombination aus Lebendzell-Manipulationen (genetisch, umweltbedingt, pharmakologisch), Bildgebung und biochemischen Methoden. Zur Untersuchung von humanen Herzerkrankungen wie Herzinsuffizienz und angeborenen Herzfehlern wird uns Human-Material durch die kardiovaskuläre Biobank (CVBB) zur Verfügung gestellt

A: Membranausstülpungen zwischen einer Herzmuskelzelle und einem Fibroblasten, in vitro mittels rotierender kohärenter Streuungsmikroskopie visualisiert. B: Elektronentomographie und Rekonstruktion einer Herzmuskelzelle (CM) und eines Fibroblasten (FB) in der Infarktrandzone.

Verfügbare Projekte

Mechanische Verformung der Ultrastruktur von Herzmuskelzellen - Struktur und Funktion
Quantitative Analyse des T-tubulären Netzwerks
Entwicklung neuartiger live-fluoreszierender Ionenindikatoren
Fibrotischer Umbau bei Fallot’scher Tetralogie
In vitro Fibrosemodell

Weiterführende Literatur