Krankheitsspezifische Effekte neuer, selektiver NCX1 Inhibitoren

Zusammenfassung des Forschungsantrages und Kernpunkte für wissenschaftlich qualifizierte Assessoren Störungen der intrazellulären Ionenhomöostase treten bei weit verbreiteten, oft lebensbedrohlichen Herzerkrankung, wie Myokardinfarkt, Arrhythmien und Herzinsuffizienz auf. Bei der Entstehung dieser Erkrankungen spielt der Na+/Ca2+ Austauscher eine wesentliche Rolle. Bis vor kurzem war kein spezifischer NCX1 Inhibitor verfügbar. Dieser Umstand könnte die, in den bisher durchgeführten Tierversuchen, widersprüchlichen Ergebnisse erklären. Daher wurde bis Dato von klinischen Studien zur kardioprotektiven Wirkung von NCX Inhibitoren abgesehen. Die kürzlich von der Firma ORION Pharma entwickelten hochselektiven NCX1 Blocker (ORM10103, ORM10962), die momentan nur unserer Forschungsgruppe zur Verfügung stehen, bieten uns und unseren Partnern in Graz, im Rahmen einer engen Kooperation, die einzigartige Möglichkeit die detaillierten Mechanismen hinter einer spezifischen Inhibierung des Na+/Ca2+ Austauscher zu Untersuchen. Die hier angeführten experimentalen Ansätze dienen zur Evaluation der Pharmakokinetik, was für zukünftige Applikationen unumgänglich ist. Des Weiteren planen wir die Effektivität der angenommenen protektiven Wirkung, sowohl in verschieden, gut etablierten Tiermodellen (Akute Ischämie, reperfusionsbedingte Arrhythmien, chronische Herzinsuffizienz), als auch in unterschiedlichen Spezies (Ratte, Kaninchen, Schwein) zu Untersuchen. Die experimentelle Arbeit ist nach zur Verfügung stehenden Einrichtungen und vorhandener Expertise zwischen den beiden antragstellenden Institutionen aufgeteilt und beinhaltet zelluläre elektrophysiologische (standard Microelectrode und Patch Clamp) und auf Fluoreszenz basierende (Ca2+ Messungen und epifluoreszents Mapping) Techniken. Was ist unsere Fragestellung? Es ist bekannt, dass eine signifikant erhöhte NCX1 Aktivität eine wichtige Rolle in der Entstehung und Progression einer Vielzahl von Herzerkrankungen spielt. Trotz alledem findet sich die Anwendung von NCX1 Inhibitoren im klinischen Alltag nicht wieder. Dies ist vor allem auf den Mangel an validierten und effektiven Substanzen zurück zu führen. In dem vorliegen Projekt versuchen wir anhand der selektiven NCX1 Inhibitoren (ORM10103, ORM10962) unsere Arbeitshypothese, also die NCX Blockade als kardioprotektiver Mechanismus zu validieren. Dies könnte in Zukunft zum Einsatz solcher Inhibitoren im klinischen Alltag führen. Das Projekt wird in zwei Phasen unterteilt: 1) Wie wirkt sich die selektive Blockade des NCX auf die intrazelluläre Ca2+ Homöostase? Im Detail soll untersucht werde, ob die Inhibierung des NCX durch die Intra- und Extrazelluläre Ionenhomöostase und/oder Transportrichtung des Austauschers beeinflusst wird. Des Weiteren wird der Effekt von subsarkolemmalen Na+ oder Ca2+ Microdomänen auf die Entwicklung der Inhibierung evaluiert. 2) Zeigt eine selektive Inhibierung des Na+/Ca2+ -Austauschers einen positiven Effekt im Rahmen akuter und chronischer Versuche im Tiermodell, wenn der intrazelluläre Ca2+ Gehalt erhöht (Modell der akuten Ischämie) oder erniedrigt (Modelle der chronischen Herzinsuffizienz) ist? Es soll weiterhin der Einfluss einer Inhibierung des NCX auf die Entstehung von Arrhythmien in Tiermodellen untersucht werde. Abhängig von der Verfügbarkeit sollen humane Proben, welche im Rahmen von chirurgischen Eingriffen gewonnen werden, die Im Tierversuch erhobenen Daten ergänzen. Warum ist diese Arbeit von Signifikanz? Die Resultate der in diesem Projektantrag gelisteten experimentellen Arbeiten könnten zu einem besseren Verständnis der Pathophysiologie einer Vielzahl von endemischen, oft letalen, Herzerkrankungen, wie Herzinfarkt, Arrhythmien und Herzinsuffizienz führen und in Folge zu einer Verbesserung, der im Moment ungenügend effektiven Pharmakotherapie beitragen. Die erwarteten Ergebnisse sind ferner von theoretischer Bedeutung. Da eine selektive Inhibierung des NCX1 bis vor kurzem nicht möglich war, können wir nun erstmals, unter Ausschluss von Artefakten, direkt und zuverlässig Fragen bezüglich der Aktivität des Na+/Ca2+-Austauschers und die Folgen einer Inhibierung beantworten. Die erwarteten positiven Ergebnisse der experimentellen Arbeit könnten die Grundlage für zukünftige klinische Studien zur Effektivität der selektiven NCX1 Blockade in humanen Syndromen bilden. Weiterhin könnte dieses Projekt die selektive NCX-Modulation/Blockade als Ansatz für zukünftige Studien etablieren, welche die physiologische Aktivität des NCX und dessen regulative und funktionelle Störungen untersuchen. Die durch dieses Projekt gewonnen Daten könnten die Basis für neue Pharmakotherapien sein, welche die signifikante Verringerung von Gewebeschäden im Rahmen vom Myokardinfarkten und der Reduktion von reperfusionsinduzierten Arrhythmien zum Ziel haben. Dies könnte zur Verzögerung des Auftretens und Fortschreitens der chronischen Herzinsuffizienz, vor allem bei betagten Menschen, führen und schlussendlich das Auftreten des plötzlichen Herztodes verhindern. Um diese Ziele zu erreichen wurde eine enge Zusammenarbeit zwischen zwei anerkannten Wissenschaftlern zweier international bekannter Institutionen (Department of Pharmacology and Pharmacotherapy of University of Szeged and Department of Cardiology of Medical University Graz) etabliert. Eine dauerhafte multilaterale Kooperation zwischen diesen zwei Institutionen kann von beidseitigem Vorteil sein, basierend auf die komplementären wissenschaftlichen Methoden, experimentellen Modelle, Infrastruktur und Expertise. Zusammenfassung und Ziele des Projekts für die Öffentlichkeit Die pathologische Hyperaktivität zellulärer Mechanismen die für die Relaxation des Herzens wichtig sind, spielt eine wesentliche Rolle in häufig auftretenden und oft schweren Herzerkrankungen. Nichtsdestotrotz fehlen Möglichkeiten diese Hyperaktivität zu hemmen. Dies liegt am Fehlen von Medikamenten mit nachgewiesener Wirksamkeit. Gründend auf eine lang andauernde Kooperation wurden exklusiv unserer Arbeitsgruppe von ORION Pharma, Finnland, zwei vielversprechende Präparate zur Verfügung gestellt. Dies gibt uns die einzigartige Möglichkeit die Inhibierung der oben erwähnten Mechanismen auf zellulärer Ebene zu erforschen. Wir planen dieses Projekt in Zusammenarbeit mit unseren Partnern in Graz durchzuführen, die zu mehreren Techniken und Tiermodellen Zugang haben, die unserem Labor nicht zur Verfügung stehen. Weithin besteht dadurch der Zugang zu Proben die von insuffizienten humanen Herzen gewonnen werden konnten. Sollten wir, wie erwartet, einheitlich zeigen können, dass die neuen Präparate im Tiermodell eine vorteilhaften Effekt aufweisen, könnte eine Applikation im klinischen Alltag eine vielversprechende Behandlungsmethode darstellen und somit die Initiierung klinischer Studien beschleunigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Resultate dazu beitragen könnten neue klinisch relevante Therapien zu entwickeln, die im Stande sind durch Myokardinfarkt bedingte Gewebsschäden zu verringern, Arrhythmien vorzubeugen, die Entstehung von Herzinsuffizienz zu verzögern bzw. zu verlangsamen und den plötzlichen Herztod zu verhindern.

Herzinsuffizienz oder Herzschwäche bezeichnet man ein Krankheitsbild welches durch die Unfähigkeit des Herzen eine ausreichende Blutmenge durch den Körper zu fördern gekennzeichnet ist. Die heute zur Verfügung stehenden Behandlungsstrategien sind nicht in der Lage ein Fortschreiten der Erkrankung zu verhindern und das einhergehende Risiko eines plötzlichen Herztodes zu minimieren. Daraus leitet sich eine zwingende Notwendigkeit neue effektivere Behandlungsmethoden zu entwickeln ab.Zwei Forschungsgruppen der Universität Szeged und der medizinischen Universität Graz initiierten ein internationales Projekt um eine neue therapeutische Strategie zu entwickeln, die die Herzfunktion verbessern und das Risiko von Herzrhythmusstörungen verringern soll. Neu entwickelte Substanzen, die den Natrium/Kalzium-Austauscher blockieren, wurde in Zellen sowie im Tierversuch getestet. Die Substanzen wurden von Orion Pharma, dem Industriepartner dieses Projekts, entwickelt, hergestellt und exklusiv den teilnehmenden Institutionen zur Verfügung gestellt.HintergrundDer Natrium/Kalzium-Austauscher ist ein Protein das sich in der Zellmembran von Herzmuskelzellen befindet. Die Hauptfunktion dieses Protein ist es Kalzium, welches für die Kontraktion des Herzens verantwortlich ist, aus dem Zellinneren zu entfernen. Eine gestörte Funktion dieses Transporters führt zur Veränderung der elektrischen Aktivität des Herzens und begünstigt auf diese Weise Herzrhythmusstörungen. Die vermehrte Aktivität des Natrium/Kalzium-Austauscher in Patienten mit Herzschwäche wird weitgehend als wichtige Ursache für die verminderte Schlagkraft, die langsamere Entspannung des Herzmuskels nach einem Herzschlag sowie für das gehäufte Auftreten von Herzrhythmusstörungen, verantwortlich gemacht. Bisher wurde der Natrium/Kalzium-Austauscher nicht als therapeutisches Ziel genutzt, da gegenwärtig verfügbare Blocker nicht spezifisch den Austauscher inhibieren. Darüber hinaus, ist die Regulation des Natrium/Kalzium-Austauschers im Herzmuskel hoch Komplex und die Effektivität von Substanzen, die das Protein blockieren, vor allem im erkrankten Herzen, schwer vorherzusagen. Dieses Projekt hat zum Ziel die Effektivität von spezifischen Natrium/Kalzium-Austauscher Blockern als Behandlungsmethode bei verschiedenen Formen der Herzinsuffizienz und Herzrhythmusstörung zu untersuchen.Ergebnisse und AusblickDie Charakterisierung der pharmakologischen Eigenschaften wurde an der Universität Szeged durchgeführt. Die Partner in Graz testeten den Blocker des Natrium/Kalzium-Austauschers in zwei klinisch relevanten Tiermodel, in einem Bluthochdruckmodel und einem Model der nierenbedingen Herzschwäche. In Zellen beider Modelle zeigt sich durch die akute Blockade des Natrium/Kalzium-Austauschers eine verbesserte Entspannung des Herzmuskels sowie eine verbesserte Kontraktion.Die chronische Behandlung in Ratten mit Herzmuskelschwäche verbesserte die Pumpleistung des Herzens und verlangsamte das Voranschreiten der Erkrankung. Die Erkenntnisse dieses FWF Projekts treiben weitere Machbarkeitsnachweise in präklinischen Tiermodellen sowie am Patienten voran und könnten Pharmaunternehmen motivieren eine Blockade des Natrium/Kalzium-Austauschers als neue Behandlungsstrategie in Betracht zu ziehen.