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Institut für Physiologie und Pathophysiologie

Arbeitsgebiete

Sauerstoffmangel im Gehirn

Unsere Arbeitsgruppe untersucht, welche Folgen Sauerstoffmangel (Hypoxie) im Gehirn hat. Die Gewebehypoxie im Gehirn ist ein zentrales Problem bei verschiedenen Erkrankungen, so bei Ischämie (Schlaganfall), Tumoren, Schädel-Hirn-Verletzungen, Höhenkrankheit und Epilepsie. Die Minderversorgung der Zellen mit Sauerstoff kann durch ein vermindertes Angebot oder einen gesteigerten Verbrauch bedingt sein. Deshalb steht das neurovaskuläre Zusammenspiel, das auch die glialen Zellen mit einschließt, im Zentrum unseres Interesses. Im Speziellen untersuchen wir zwei hypoxiebedingte Vorgänge: 1) die Aktivierung endogener Faktoren, welche Nervenzellen vor dem Absterben bewahren oder regenerieren (Neuroprotektion und Neurogenese) und 2) die Öffnung der Blut-Hirn-Schranke mit Ausbildung eines Hirnödems. Wir nutzen verschiedene in vivo Versuchsmodelle (Hypoxiekammer, Ischämiemodelle), welche auch transgene Tiere umfassen, und kombinieren sie mit modernen molekularbiologischen Methoden. Wir hoffen, aus der Analyse und Charakterisierung dieser endogenen Schutzreaktionen Hinweise für neue therapeutische Maßnahmen für den Menschen zu finden.

 

1) Neuroprotektion und Neurogenese


Die Gewebehypoxie wird von verschiedenen Sauerstoffsensoren (Prolylhydoxylasen, PHD) registriert, welche dann über eine Aktivierung spezifischer Transkriptionsfaktoren (hypoxia-inducible factors, HIF) zur Induktion von neurogenen und neuroprotektiven Faktoren, wie zum Beispiel Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) oder Erythropoietin (Epo), führen. Ziel unserer Forschung ist es, diese Mechanismen im Detail zu verstehen und sie positiv zu beeinflussen.




Hirn-spezifische Überexpression von VEGF vermindert die Größe der Infarkt-Region (heller Bereich). Quantifizierung der Infarkt-Größe an Cresylviolett-gefärbten Schnitten von Hirngewebe ergab bei VEGF-transgenen Mäusen (VEGF-tg) im Vergleich zu nicht-transgenen Kontrollen aus dem gleichen Wurf (ntg) eine signifikante Verminderung um 40%.

 

aus Wang et al.; Brain (2005); 128: 52-63

2) Blut-Hirn-Schranke


VEGF hat neben seinen positiven Eigenschaften (Neuroprotektion, Neurogenese, Angiogenese) aber einen nachteiligen Effekt auf die Blut-Hirn-Schranke (BHS), der den unmittelbaren therapeutischen Einsatz schwierig macht: VEGF führt zur Öffnung der BHS und damit zur Ausbildung eines Hirnödems. Wir untersuchen die molekularen Mechanismen dieser Öffnung durch Charakterisierung der Vorgänge an den endothelialen Zell-Zell-Kontakten (Tight Junctions) und der extrazellulären Matrix mit dem Ziel, durch Intervention die Ödembildung zu reduzieren, ohne die positiven neuroprotektiven Eigenschaften zu verlieren.

 


Hypoxie führt zu einer Neuordnung des  Tight Junction-Proteins Occludin und zur Bildung von Lücken. Mäuse wurden für 48 Stunden 20% (Kontrolle) oder 8% Sauerstoff (Hypoxie) ausgesetzt. Coronale Hirnschnitte wurden immunhistochemisch für Occludin (grün) und CD31 (rot) , und Kerne mit DAPI (blau) gefärbt. Dreidimensionale Rekonstruktion nach Konfokaler Mikroskopie zeigt eine Neuordnung von Occludin und die Bildung von Lücken (Pfeilspitzen) nach Hypoxie, im Vergleich zur durchgängigen, eindeutig linearen Färbung (Pfeile) in Kontrollen.

 

aus Bauer et al.; J Cereb Blood Flow Metab (2010); 30: 837-848.





Neue Publikationen

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Improving electrical properties of iPSC-cardiomyocytes by enhancing Cx43 expression. J Mol Cell Cardiol. 2018 Jul;120:31-41. doi: 10.1016/j.yjmcc.2018.05.010. Epub 2018 May 16.

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Role of CD40 and ADAMTS13 in von Willebrand factor-mediated endothelial cell-platelet-monocyte interaction. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Jun 12;115(24):E5556-E5565. doi: 10.1073/pnas.1801366115. Epub 2018 May 23.

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The VAMP-associated protein VAPB is required for cardiac and neuronal pacemaker channel function. FASEB J. 2018 Jun 7:fj201800246R. doi: 10.1096/fj.201800246R. [Epub ahead of print]

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Persistent sodium current modulates axonal excitability in CA1 pyramidal neurons. J Neurochem. 2018 Jun 4. doi: 10.1111/jnc.14479. [Epub ahead of print]

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Metabolic modulation of neuronal gamma-band oscillations. Pflugers Arch. 2018 May 28. doi: 10.1007/s00424-018-2156-6. [Epub ahead of print]

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The lncRNA CASC9 and RNA binding protein HNRNPL form a complex and co-regulate genes linked to AKT signaling. Hepatology. 2018 May 23. doi: 10.1002/hep.30102. [Epub ahead of print]

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Early Blood-Brain Barrier Disruption in Ischemic Stroke Initiates Multifocally Around Capillaries/Venules. Stroke. 2018 Jun;49(6):1479-1487. doi: 10.1161/STROKEAHA.118.020927. Epub 2018 May 14.

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Impact of carbonylation on glutathione peroxidase-1 activity in human hyperglycemic endothelial cells. Redox Biol. 2018 Jun;16:113-122. doi: 10.1016/j.redox.2018.02.018. Epub 2018 Mar 1.

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CXCR-4 expression by circulating endothelial progenitor cells and SDF-1 serum levels are elevated in septic patients. J Inflamm (Lond). 2018 May 16;15:10. doi: 10.1186/s12950-018-0186-7. eCollection 2018.

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In silico assessment of the conduction mechanism of the Ryanodine Receptor 1 reveals previously unknown exit pathways. Sci Rep. 2018 May 2;8(1):6886. doi: 10.1038/s41598-018-25061-z.

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Astrocytic glutamine synthetase is expressed in the neuronal somatic layers and down-regulated proportionally to neuronal loss in the human epileptic hippocampus. Glia. 2018 May;66(5):920-933. doi: 10.1002/glia.23292. Epub 2018 Jan 19.

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Parallel detection of theta and respiration-coupled oscillations throughout the mouse brain. Sci Rep. 2018 Apr 24;8(1):6432. doi: 10.1038/s41598-018-24629-z.

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Endothelial progenitor cells accelerate endothelial regeneration in an in vitro model of Shigatoxin-2a-induced injury via soluble growth factors. Am J Physiol Renal Physiol. 2018 Mar 7. doi: 10.1152/ajprenal.00633.2017. [Epub ahead of print]


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