Im Fokus dieses Forschungsprogramms steht die Analyse molekularer Mechanismen, die an der Entstehung verschiedener Krankheiten, beispielsweise Herz-Kreislauf-Erkrankungen, beteiligt sind. Viele Erkrankungen haben multifaktorielle Ursachen – genetische Konstellationen spielen ebenso eine Rolle wie Umwelt- und Ernährungseinflüsse. Weil sie bei Patient:innen individuell verlaufen, sprechen diese unterschiedlich auf Therapien an. Um die Krankheitsmechanismen (Pathomechanismen) umfassend zu verstehen und die Erkrankungen künftig früher diagnostizieren, mit weniger Nebenwirkungen und individuell besser therapieren zu können, identifizieren Forschende am ISAS potenzielle Zielmoleküle (Targets).
© ISAS / Hannes Woidich
Die Wissenschaftler:innen setzen bei ihrer Grundlagenforschung Methoden ein, die sich keineswegs auf die Genomebene beschränken, sondern auch proteomische und metabolomische Parameter beinhalten. Die Forschenden setzen hierfür Multi-Omics-Verfahren ein und erproben sowie optimieren diese. Ein Schwerpunkt im Programm liegt auf kardiovaskulären Erkrankungen. Hier kann das Institut auf jahrelange analytische Expertise zurückgreifen, darunter umfangreiche Untersuchungen des Proteoms von Thrombozyten (Blutplättchen) sowie die detaillierte Aufklärung von Thrombozytenfunktionsstörungen und molekularen Prozessen bei Herzinsuffizienz (Herzschwäche).
Molekulare Mechanismen der Herzinsuffizienz
Für viele Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind molekulare Ursachen und der Krankheitsverlauf noch weitestgehend unverstanden. Am ISAS arbeiten die Wissenschaftler:innen daran, die Diagnostik für Herzschwäche zu verbessern und neue Therapieansätze zu etablieren. Sie kombinieren klassische Methoden der Molekulargenetik und Biochemie mit Hochdurchsatzmethoden. So decken sie die ganze Bandbreite der Analyse ab – von der detaillierten Untersuchung einzelner Komponenten bis zur Betrachtung ganzer zellulärer Systeme.
Charakteristische Krankheitsverläufe & Reduktion der Nebenwirkungen
Die Wissenschaftler:innen entwickeln in diesem Forschungsprogramm neue Diagnose- und Therapieinstrumente zur Differenzierung verschiedener Herzerkrankungen. Dazu arbeiten sie unter anderem mit transgenen Mäusen. Ziel ist es, spektroskopische Charakteristika von verschiedenen Krankheitsverläufen herauszuarbeiten. Die Wissenschaftler:innen haben unter anderem die biospektroskopischen Analysen intensiv mittels bildgebender Schwingungsmikroskopie und hochauflösender Mikroskopie weiter vorangetrieben. Mithilfe der optischen Methoden, in vivo und molekularbiologischen Untersuchungen ist es ihnen gelungen, in Zusammenarbeit mit den Universitäten Würzburg und Duisburg-Essen in unterschiedlichen Mausmodelle mit genetischen Erkrankungen verschiedene molekularen Mechanismen der Herzinsuffizienz zu untersuchen und zum Beispiel beim M. Fabry Modell die Erkrankung in frühen Stadien zu detektieren.
Um das Potenzial von nicht-linearen spektroskopischen Bildgebungsinstrumenten und verschiedenen Assays für die Identifikation von kardialer Beteiligung bei Stoffwechselstörungen und genetisch bedingten Speicherkrankheiten wie Morbus Fabry zu identifizieren, setzen die Forschenden die Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)-Mikroskopie zur Untersuchung beim Mausmodell ein. Dank der hohen Sensitivität der gewonnen Spektralinformationen und der computergestützten Diagnose lassen sich subtile Veränderungen im Protein-Lipid-Gehalt zwischen Herzgewebe bei Morbus Fabry und Kontrollgewebe mit bis zu 96 Prozent zuverlässig erkennen.
Des Weiteren entwickeln und optimieren die Wissenschaftler:innen in diesem Forschungsprogramm Silizium-basierte Nanocontainer, die eine Herzmuskelzellen-spezifische Applikation von Medikamenten ermöglichen und damit die Nebenwirkungen reduzieren. Außerdem untersuchen sie die Wirkweise kalter atmosphärischer Plasmen (Cold Atmospheric Plasma, CAP) bei der Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Solche Plasmen sind bislang vor allem auf dem Gebiet der Wundheilung, der Behandlung von infektiösen Hauterkrankungen, der Zahnheilkunde und der Krebsbehandlung erprobt. Sie könnten die Nitritkonzentration im Blut erhöhen und damit einen kardiovaskulären Risikofaktor verringern.