Einzel-Molekulare mechanische und biophysikalische Eigenschaften des VWF

VWF ist ein Molekül, das auf Scherkräfte reagiert und dabei seine Funktion durch Konformationsänderungen auf die aktuellen Gegebenheiten im Blutstrom anpasst. Obwohl die Aggregation von Blutplättchen unter Scherkräften umfassend studiert worden ist und die Wichtigkeit des VWFs für die Blutplättchen-Adhäsion in biochemischen Untersuchungen anerkannt ist, fehlen weitgehend direkte experimentelle Zugänge zu den Mechanismen und deren Dynamik. Tatsächlich fehlen biophysikalische Untersuchungen zur (i) mechano- elastischen Charakterisierung des VWFs (wie z.B. das Verhalten unter Kraftbelastung, Relaxationszeiten, etc.) und (ii) zur Fähigkeit des VWF Adhäsionsstellen spezifisch zu erkennen unter Berücksichtigung der Adhäsionsstärke und deren Verteilung (z.B. auf Platelets.). Insbesondere sind Studien zur Bindung von VWF zu Kollagen wichtig, da diese Interaktion ein essentieller erster Schritt zur Blutgerinnung ist. Das Rasterkraftmikroskop (AFM) kann dabei eingesetzt werden, um die Dynamik der Wechselwirkung spezifischer VWF-Domänen mit Kollagen direkt zu untersuchen. Als AFM spezialisierte Gruppe in Linz und München fokussieren sich auf verschiedene Interaktionen von VWF mit Zellen und Gewebsbestandteilen. In der ersten Förderungsperiode führten wir neuartige Untersuchungen mit dem AFM zur Dynamik der Bindung ausgewählter VWF Domänen zu anderen VWF Domänen sowie zu Kollagen III und VI durch. In der zweiten Förderperiode planen wir ein detailliertes Verständnis der biophysikalischen Funktionen des VWF bis zur Ebene seiner einzelnen Domänen zu erlangen, indem wir eine einzigartige Kombination aus Nanomechanik und Computersimulationen in Zusammenarbeit mit den Gruppen Netz (B4) und Gräter/Baldauf (C1) etablieren. In Einklang mit unserem Hauptziel, der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften des mechano-sensitiven VWF Moleküls und seiner Funktion im Zusammenspiel mit anderen Blutbestandteilen, werden wir die Bildung von VWF Netzwerken mit Blutplättchen und die Auswirkungen pathologischer VWF Mutationen in enger Zusammenarbeit mit den Gruppen Schneppenheim (A1), Wilmanns (C3) Schneider (A2), Wixforth (B1) und Rädler (B3) erforschen. Daher wollen wir unsere Untersuchungen auf folgende Themen ausweiten: (i) Kollagen I und IV, sowie (ii) durch Integrine vermittelte Adhäsion zu Blutplättchen unter Entzündungsbedingungen. Wegen der klinischen Relevanz unserer Ergebnisse erwarten wir einen wichtigen Beitrag, Krankheiten leichter zu erkennen und die Behandlung von VWF Patienten zu verbessern.

Unauffällig in seinem inaktiven Zustand, kann sich ein Protein namens "von Willebrand-Faktor" (VWF) im Falle einer Verletzung zu einem echten Lebensretter entwickeln. Die Blutgerinnung ist dafür verantwortlich, dass eine Wunde durch Blutungen gestoppt wird, aber wie funktioniert das? Als eines unserer Hauptergebnisse haben wir - zusammen mit unseren Projektpartnern aus ganz Deutschland - ein neuartiges Modell für die Rolle von VWF beim Wundverschluss vorgeschlagen, welches so aussieht: Der VWF nimmt in diesem Prozess eine wichtige Rolle ein: In einem normalen Zustand ohne jegliche Verletzung treibt er im Blut wie ein loser Wollknäuel (A). Wenn wir uns selbst verletzen (B), ändert sich die Situation dramatisch. Im Bereich einer Verletzung ist Kollagen freigelegt und der VWF-Ball verbindet sich mit diesem Kollagen mit einem losen Ende und löst sich im Blutstrom auf. Jetzt kann es zirkulierende Blutplättchen einfangen und an die beschädigte Gefäßwand leiten (C). Nach dem Auffangen durch VWF verändert sich das Plättchen dramatisch und verwandelt sich von einer nicht klebrigen Kugel zu einer sehr klebrigen Scheibe. Weiter entwickelt das Plättchen kleine Arme (D), um andere Plättchen zu "halten", die in ähnlicher Weise von VWF eingefangen wurden. Dadurch bildet sich ein Netz aus vielen VWF-Strängen und klebrigen Blutplättchen und die Wunde wird durch diesen klebrigen Stöpsel (E) verschlossen.Wie hilfreich dieser Mechanismus im Falle einer Verletzung auch ist, kann es bei ungewollter Auslösung ohne Gefäßschaden zu ungewollten und gefährlichen Effekten, wie Thrombose oder Schlaganfall führen. Daher ist es wichtig zu verstehen, was während der Aktivierung des VWF passiert. Um diesen Prozess zu erklären, verwendeten wir ein Rasterkraftmikroskop (AFM), das biologische Strukturen in der Größenordnung von wenigen Millionstel Millimetern sichtbar machen und unvorstellbar niedrige Kräfte (Billionstel Newton) zwischen Molekülen erkennen kann. In Voruntersuchungen gelang es uns, Bilder von einzelnen Blutplättchen zu erzeugen. Später sind wir noch einen Schritt weiter ins Detail gegangen. Mit Hilfe eines AFM können wir ein Protein oder Teile eines Proteins an eine Art Angelschnur hängen, um Interaktionen zwischen zwei Proteinen zu untersuchen. Damit haben wir herausgefunden, warum der von-Willebrand-Faktor keine Blutplättchen bindet, wenn er aufgerollt ist. Der stärkere Blutfluss in einem Verletzungsgebiet enthüllt einen kleinen "klebrigen" Bereich ("Bindungsstelle") des VWF, der dann die Blutplättchen auffängt. Wir haben diesen Mechanismus sehr detailliert beschrieben und Computersimulationen bestätigten unsere Ergebnisse mit AFM. Wir stehen erst am Anfang der VWF-Forschung, aber sobald wir den VWF vollständig verstanden haben und lernen, ihn zu kontrollieren, können wir lebensbedrohliche Ereignisse wie Thrombosen oder Schlaganfälle verhindern und Blutungen bei großen Verletzungen sofort stoppen. "Star Trek Healing Devices" wäre dann nur noch ein kleines Stück entfernt.