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AG Vegetative Physiologie

Das wissenschaftliche Interesse der Arbeitsgruppe liegt in der Charakterisierung und Analyse der Pathomechanismen von Erkrankungen des Gefäßsystems und des Gastrointestinaltrakts mit zellulären und elektrophysiologischen Methoden. Bisher und derzeit bearbeitete Forschungsschwerpunkte umfassen folgende Themengebiete:

Funktionelle Charakterisierung der Aktivität von spontanaktivem menschlichen und tierischen Gefäßgewebe

Spontanaktivität im Gefäßgewebe lässt sich beim Menschen in kleinen Arterien und Venen beobachten. Diese Aktivität tritt zumeist im mittleren Erregungszustand der Gewebe auf und besitzt eine typische Minutenrhythmizität. Auch in terminalen Koronarien konnten wir in der Vergangenheit eine regelmäßige Spontanaktivität verfolgen, welche besonders stark bei kleinen Kollateralarterien, die sich durch Remodelling gebildet hatten, auftraten. Die physiologische Bedeutung der Vasomotion liegt nicht alleine im Phänomen an sich, sondern in den rheologisch-hämodynamischen Eigenschaften der Gefäßwand, der Blutsäule und der Herzens. Zusätzlich zu diesen, sich auf die Gesamtimpedanz des Kreislaufsystems auswirkenden Faktoren, sind auch mittelfristige und langfristige Konsequenzen für die Erhaltung und den strukturellen Umbau der Gefäßwand denkbar.

Folgende Fragen stehen im Vordergrund:

  • Unter welchen physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen verändert sich die Spontanaktivität?
  • Wie groß ist ihr Anteil an der Gesamtimpedanz des Kreislaufs?
  • Welche altersabhängigen Veränderungen treten auf und was ist ihre Konsequenz?

(Bearbeiter: Prof. Dr. Th. Noack, Dr. R. Patejdl, K. Paul, C. Adams, G. Klee)

Synchronisation, Rhythmogenese und Erregungsfortleitung in glattmuskulären Netzwerken

Neben membranendogenen Prozessen über spannungsabhängige Ionenkanäle sind ligandenvermittelte Mechanismen, vor allem für die Ausbildung zeitlicher Muster, z.B bei spontaner Aktivität, für die Entstehung von Kontraktionen von großer Bedeutung für den Gefäßtonus und die Gefäßimpedanz. Im Hinblick auf eine Beteiligung von Zell-zu-Zell Kopplungen an dieser Rhythmogenese werden die Phänomene am intakten Gewebe mit elektrophysiologischen und mechanischen Parametern und mittels Netzwerkanalyse untersucht.

  • Wie kommt es zur Generierung von Spontanaktivität?
  • Wie wird Spontanaktivität fortgeleitet?
  • Wie und warum ist Spontanaktivität modulierbar?
  • Lassen sich spontanaktive Muskeln in vitro kultivieren?

Gerade die Signalgenerierung und deren Aufklärung durch die Netzwerkanalyse stellen einen besonderen Reiz dar, nahezu "störungsfrei" die biologischen Abläufe zu beobachten (Heisenberg).

(Bearbeiter: Prof. Dr. Th. Noack, Dr. R. Patejdl, M. Mertens, Chr. Lösel)

Bedeutung von interstitiellen Zellen für Spontanaktivität

Als Schrittmacherzellen in intestinaler Muskulatur wurden vor einigen Jahren interstitielle Zellen nach Cajal beschrieben und ihre elektrophysiologischen Eigenschaften charakterisiert (Sanders). Zellen dieses Typs sind wohl auch in einer Reihe von Gefäßmuskeln vorhanden – ihre physiologische Funktion ist jedoch zurzeit fraglich. Elektrophysiologische Patch-Clamp Untersuchungen scheinen hier nur begrenzt mit Erfolg eingesetzt werden zu können.

  • Können mittels Netzwerkanalyse funktionelle Strukturen als Pacemaker identifiziert werden?
  • Lassen sich diese Strukturen auch morphologisch charakterisieren?
  • Wie lassen sich Schrittmacher pharmakologisch oder endogen modulieren?

(Bearbeiter: Prof. Dr. Th. Noack, Dr. R. Patejdl, C. Adams, A. Benckendorf)

Entstehung komplexer Aktionspotenziale am Gefäßmuskel

Vasomotion geht in der Regel mit der Aktivierung spannungsabhängiger Calciumkanäle in der Membran der glatten Gefäßmuskeln einher. Dabei entstehen nicht nur einzelne Calciumspikes, sondern es entstehen komplexe Muster von Aktionspotenzialen, die aus 10 bis 20 Einzelspikes bestehen, die auf einer Depolarisationswelle sitzen. Hier kommt es auf die Aktivierung und Inaktivierung von Kalium- und Calciumkanälen an, die zu einer entsprechenden Aktionspotenzialform führen und damit die Kontraktion steuern. Durch Messungen der Ionenströme, deren systematischer Identifizierung und einer Modellbildung mit den vorhanden Stromkomponeneten sollen fehlende und bis dahin unbekannte Komponenten durch einen Vergleich zwischen gemessenem Aktionspotenzial und gerechnetem Verlauf herausgearbeitet werden.

  • Welche Stromkomponenten spielen für die schnelle Repolarisation eine Rolle?
  • Wodurch wird die langsame Depolarisation des gesamten AP erzeugt?

(Bearbeiter: Prof. Dr. Th. Noack, Dr. R. Patejdl, C. Adams)

Sensitisierung des glatten Muskels für Licht

Einzelne Gefäßabschnitte reagieren auf eine Bestrahlung mit Licht relaxierend. Durch eine Vorbehandlung mit exogenen Dihydropyridinen kann es unter gewissen Bedingungen zu einer 100-1000 fachen Sensitisierung kommen. Diese kann dann so stark sein, dass normales Tageslicht ausreicht, den Tonus der Gefäße völlig aufzuheben.

  • Untersuchung des vasorelaxierenden Mechanismus
  • Gibt es auch tonussteigernde licht-sensitisiernde Substanzen?
  • Untersuchung klinischer Anwendungen (z.B. Wachstumssteuerung)

(Bearbeiter : Prof. Dr. Th. Noack, Dr. R. Patejdl)

Neuronale Kontrolle des Venentonus

Die physiologische Modulation des venösen Gefäßtonus ist kritisch für die physiologische Stabilisierung des venösen Rückstroms zum Herzen und damit zur Adaptation an verschiedene Belastungen im Alltag. Störungen des venösen Tonus, z.B. im Rahmen von Schockzuständen, können zu dramatischen Veränderungen des Herzminutenvolumens führen. Im Gegensatz zum arteriellen System sind die Mechanismen im venösen System bislang nur fragmentarisch aufgeklärt. Die Arbeitsgruppe widmet sich insbesondere folgenden Fragestellungen:

  • Welche Dynamik haben neurogene Tonusmodulationen?
  • Welche Transmittersysteme sind in welchen Stromgebieten relevant?
  • Welche Interaktionen finden zwischen Endothel, Myozyten und Neuronen statt?

(Bearbeiter: Dr.  R. Patejdl,  Prof.  Dr. Th. Noack, H.B. Heinrich, L. Rustenbeck)

Untersuchung der Wirkung bioaktiver Natur- und Wirkstoffe am glatten Muskel

Viele Naturstoffe haben bioaktive Eigenschaften auf die glattmuskuläre Motorik. In der Vergangenheit untersuchten wir die Wirkungen von Gingko Extrakten, Brennnessel, Zwiebeln und anderen auch in Europa vorkommenden pflanzlichen Stoffen. Zurzeit beschäftigen wir uns mit der Wirkung von Moringa Extrakten und Campher. Diese Studien werden häufig in Forschungskooperationen durchgeführt und es wird neben der reinen deskriptiven Untersuchung auch möglichst der Wirkmechanismus herausgearbeitet.

 

(Bearbeiter: Prof. Dr. Th. Noack, Dr. R. Patejdl, J. Krüger, C. Tscherpel und Gäste)

Abgeschlossene Projekte

  1. Untersuchung des Hypoxie- Reperfusionsschadens am isoliert perfundierten Pankreas (Graduiertenkolleg: Interzelluläre Kommunikation bei pathophysiologischen Prozessen) (S. Hilan)
  2. Untersuchungen zur Altersabhängigkeit der Ziliarmuskelkontraktilität (S. Hartleib)
  3. Untersuchungen zur Calciumhomöostase an Linsenepithelzellen (DFG-Normalverfahren) (A. Meissner)
  4. ZEUS – Entwurf eines Unterrichtsmodells zur Darstellung der Goldman-Gleichung (3. Platz beim Landeswettbewerb "Jugend forscht 2008" (H. Häusler, L. Janzen)
  5. Zelluläre und metabolische Mechanismen hypoxischer Gefäßreaktionen (Ch. Hourand)
  6. Biologische Netzwerkanalyse am glatten Muskel (S. Igelbrink, A. Kankel)
  7. Induktion lichtabhängiger Apoptose (I. Jaborg)
  8. Charakterisierung der Ionenströme von CD 117pos Stammzellen (M. Ludwig)