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AG Prof. Angelika Lampert

AG Lampert (von links nach rechts): Stehend: Kim Le Cann, Christina Noceti, Angelika Lampert, Petra Hautvast. Vorne: Alec Foerster, Jannis Meents, Corinna Rösseler.

Wir interessieren uns für die molekularen Grundlagen der peripheren Schmerzentstehung, besonders wenn sie durch Mutationen im spannungs-gesteuerten Natriumkanal hervorgerufen werden. Dieser Kanal ist wesentlich für die Entstehung des Aktionspotentials und damit die Nervenerregung verantwortlich.

Wir untersuchen die Struktur und Funktion dieser Kanäle und wie man Schmerzen durch Modulation der Natriumkanäle möglicherweise verhindern kann. Dabei kommen elektrophysiologische und molekularbiologische Methoden, aber auch Computersimulationen zum Einsatz.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Rolle des Natriumkanals in neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. der Huntington Erkrankung.

Im Folgenden sind einige der Projekte genauer beschrieben:


Differenzierung von menschlichen sensorischen Neuronen in vitro zur Untersuchung von Schmerzerkrankungen

Schmerzhafte Reize werden durch sensorische Neurone wahrgenommen. Im Labor können einzelne humane Rezeptoren in Modellsystemen untersucht werden, die allerdings oft sehr artifiziell sind: z.B. kann man Natriumkanäle und deren Mutanten in sensorischen Neuronen der Ratte überexprimieren.

Eine wesentliche Verbesserung unserer Untersuchungen kann man erreichen, wenn menschliche Zellen zur Verfügung stehen würden. Mit Hilfe der Stammzelltechnologie ist dies nun möglich: Von einer Hautbiopsie eines Patienten können induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) hergestellt werden, die den spezifischen genetischen Code des Patienten enthalten. Diese können dann in humane sensorische Neurone differenziert werden. Somit ist es möglich, die Effekte z.B. von Mutationen, direkt an den so gewonnenen Neuronen des Patienten zu untersuchen.

Wir charakterisieren die elektrische Aktivität und Funktionalität dieser humanen sensorischen Neurone mit der Patch-Clamp-Technik, quantifizieren die Expression neuronalen Marker und Ionenkanäle durch quantitative RT-PCR-Analyse, Immunhistochemie und Kalzium-Imaging. Die Entwicklung dieser in-vitro-Techniken eröffnet neue, vielversprechende Möglichkeiten der Erforschung der pathophysiologischen Grundlagen von Schmerzerkrankungen, der pharmakologischen Testung und somit in Zukunft auch der Entwicklung besserer Schmerzmedikamente.


Link zu einem Video über unsere Stammzellforschung vom Kompetenznetzwerk NRW.

 

Mutationen im Natriumkanal können zu Schmerzen führen

Das chronische, schwere Schmerzsyndrom der Erythromelalgie ist wie die PEPD (paroxysmal extreme pain disorder), eine seltene vererbbare Erkrankung, die durch Mutationen im spannungsgesteuerten Natriumkanal Nav1.7 verursacht wird. Beide Krankheiten unterscheiden sich klinisch, und auch die Auswirkungen der Mutationen auf die Biophysik des Natriumkanals sind anders in der Erythromelalgie und PEPD. Dennoch ist es nicht klar ist, welche Kanalveränderung das klinische Bild definiert.
In mehreren aktuellen Studien untersuchen wir die Effekte der Krankheitsspezifischen Mutationen auf die zelluläre Erregbarkeit und wie man diese durch Toxine von Taranteln oder Spinnen beeinflussen kann.

© Kilian Wilde

Schematische Darstellung der Öffnung des Natriumkanals
Der spannungsgesteuerten Natriumkanal Nav1.7 ist wesentlich an der Wahrnehmung schmerzhafter Reize durch periphere Neuronen beteiligt. Mutationen des Kanals können zu Schmerzsyndromen, wie beispielsweise der Erythromelalgie, führen. Die Erythromelalgie Mutation Q875E erzeugt eine Salzbrücke innerhalb des Kanalmoleküls, die den Spannungsensor der Domäne I in der aktivierten Position stabilisiert (hier durch Magneten metaphorisch veranschaulicht). So bewirkt die Q875E Mutation wahrscheinlich Übererregbarkeit und Schmerzen. Diese Wechselwirkung zwischen zwei Kanaldomänen ist wahrscheinlich die strukturelle Basis für einen neuen Mechanismus, der dieser Schmerzstörung zugrunde liegt. Weitere Informationen zu dieser Arbeit finden Sie
hier und eine graphische Aufarbeitung unserer Daten finden Sie hier.

 

Auch Schmerzverlust kann auf Mutationen im Natriumkanal beruhen

Vor kurzem wurde eine Punktmutation in einem Natriumkanal publiziert, die sich in einer angeborenen Schmerzlosigkeit äußert (CIP, congenital insensitivity to pain). Entgegen der Erwartungen ergaben elektrophysiologische Untersuchungen in Nagetiermodellen, dass diese spezielle Mutation zu einem Funktionsgewinn des Kanals führt. Eine solche „Gain-of-Function" Mutation wurde bei anderen Natriumkanälen bislang mit Übererregbarkeit und damit einem Zugewinn an Schmerz in Verbindung gebracht. Diesen paradoxen Umstand wollen wir untersuchen indem wir auch hier Hautzellen des Patienten reprogrammieren, differenzieren und dann mit der Patch-Clamp-Technik charakterisieren. Wir erhoffen uns den Krankheitsmechanismus besser zu verstehen und neue Erkenntnisse zu den Eigenheiten des betroffenen Natriumkanals gewinnen.

 

Pharmakologische Modulierung spannungs-gesteuerter Natriumkanäle

Natriumkanäle sind in fast allen Geweben des menschlichen Körpers vorhanden und sind dort unerlässlich für die Entstehung erregbarer elektrischer Impulse, wie zum Beispiel neuronale Aktionspotentiale oder Herz-Schrittmacher-Ströme. Mutationen oder pharmakologische Modulierung dieser Ionenkanäle führen oft zu schweren klinischen Symptomen, wie Epilepsie, Schmerz oder Herzrhythmusstörungen. In verschiedenen aktuellen Projekten untersuchen wir wie klinisch verwendete Medikamente, von denen bekannt ist, dass sie einige der erwähnten Symptome verursachen, Natriumkanäle modulieren. Dies trägt nicht nur zu einer molekularen Charakterisierung der Nebenwirkungen der verschiedenen Medikamente bei, sondern ermöglicht darüber hinaus auch eine sichere Dosierung dieser teilweise unerlässlichen Medikamente. Letztendlich können diese Ergebnisse verwendet werden, um alternative, von Natriumkanal-induzierten Nebenwirkungen freie Behandlungsmethoden zu entwickeln.

 

Insektizide verändern das Schaltverhalten von Natriumkanälen

Pyrethroide sind weitverbreitete Pestizide, die zur Schädlingsbekämpfung und Kontrolle von Krankheitsüberträgern genutzt werden. Diese Wirkstoffe haben Einfluss auf die Funktion der spannungsgesteuerten Natriumkanäle des Insekts, indem sie die Kanäle unter anderem durch Verlangsamen der Deaktivierung offen halten. Obwohl klar ist, dass sie auch auf menschliche Kanäle wirken, sind die spezifischen Effekte von Pyrethroiden auf humane Natriumkanäle immer noch weitestgehend unbekannt und wenig detailliert erforscht.

In einem aktuellen Projekt befassen wir uns mit dem Effekt eines klassischen Typ-II Pyrethroids auf die biophysikalischen Eigenschaften eines humanen spannungsabhängigen Natriumkanals. Mit diesen Ergebnissen können wir auch detaiierte Rückschlüsse auf komplexe Schaltverhalten von Natriumkanälen ziehen, wie zum Beispiel auf die Entstehung von resurgent currents.


Strombeispiel einer Patch-Clamp Aufnahme mit und ohne Applikation eines Pyrethroids. Man sieht deutlich die Veränderungen der Schalteigenschaften des Natriumkanals.

 

Mechanosensitivität von Natriumkanälen

Spannungsgesteuerte Natriumkanäle lassen sich nicht nur durch Potentialveränderungen, sondern auch durch mechanische Reize beeinflussen. Veränderungen in der Zusammensetzung der Zellmembran und äußere mechanische Einflüsse können das Schaltverhalten von Natriumkanälen erheblich beeinflussen. In einem aktuellen Projekt untersuchen wir Faktoren, die die mechanische Stabilität von Natriumkanälen beeinflussen, um dieses Phänomen und seine Auswirkung in biologischen Systemen besser zu verstehen. Dazu verwenden wir zusätzlich zu Patch-Clamp Versuchen 3D Strukutur-Homologie-Modellierungen.

 

Die Rolle der Natriumkanäle in der Huntington Erkrankung

Huntington Erkrankung ist eine genetische autosomal dominant Krankheit, die mit einem Untergang von Neuronen in den Basalganglien einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die beta4 Untereinheit von den Natrium Kanälen bei Erkrankten reduziert wird. Bisher ist der genaue Grund für den Zelluntergang nicht geklärt und wir versuchen Antworten auf diese Frage zu bekommen, in dem wir die Huntington Erkrankung mit HEK Zellen, HD Maus Modellen und von iPSC abgeleiteten striatalen Neurone untersuchen.