Mikroglia Kalium- und Kalziumkanäle in Neuroinflammation

Mikroglia Zellen tragen durch ihre neuroinflammatorischen Funktionen wesentlich zur Zerstörung von Neuronen und der damit verbundenen kognitiven Beeinträchtigung bei wie es in der Alzheimerschen Krankheit oder bei ischemischen Schlaganfällen der Fall ist. Dem gegenüber stehen positive Mikrogliafunktionen, wie deren Rolle in Neuroregeneration durch die Sezernierung von Wachstumsfaktoren und anti-inflammatorischen Botenstoffen, sowie Neurogenese, indem sie amyloide Plaques in Alzheimer und Zelldebris bei Schlaganfällen phagozytieren. Weitestgehend sind Mikrogliafunktionen mit speziellen Phänotypen assoziiert, die als M1 und M2 bezeichnet werden. Klassisch-aktivierte M1 Zellen sind hauptverantwortlich für neurotoxische Effekte, während alternativ-aktivierte M2 Mikroglia überwiegend regenerative Funktionen erfüllen. Die zellulären Phänotypen können jeweils über bestimmte Oberflchenmoleküle identifiziert werden. Für Lymphozyten gilt, dass unterschiedliche funktionelle Subtypen sich in der Expression bestimmter Kaliumkanäle unterscheiden. Kaliumkanäle regulieren in Immunzellen die Kalziumsignalwege, indem sie das Membranpotential der Zellen kontrollieren. Kalziumsignale werden benötigt, um sämtliche Immunfunktionen sowie Zelldifferenzierung und aktivierung zu steuern. Immunzellen regulieren ihre Kalziumsignalwege hauptschlich über KCa3.1 und Kv1.3. Folglich ist es möglich, gezielt und Zellsubtyp-spezifisch Immunfunktionen zu hemmen, indem man selektiv auf ein bestimmtes Kaliumkanalprofil abzielt und dieses pharmakologisch manipuliert. Heike Wulff sowie viele andere konnten in der Vergangenheit eine solche spezifische Blockierung von Zellfunktionen an einer Reihe von Tiermodellen für Autoimmunerkrankungen und Krebs erfolgreich demonstrieren. Wenn diese Unterschiede in der Kaliumkanalexpression auch zwischen verschiedenen Mikroglia-Subtypen nachweisbar sind, könnte das eine zielgerichtete Inhibition spezieller Effektorfunktionen ermöglichen und damit einen neuen und vielversprechenden therapeutischen Ansatz für manche neurodegenerativen Erkrankungen bieten. Die von uns generierten Preliminärdaten die aus Mikroglia von MCAO Musen stammen, weisen darauf hin, dass diese Immunzellen aus der Infarktzone tatsächlich unterschiedliche Kaliumkanalprofile aufweisen. Wir konnten weiters zeigen, dass Kaliumkanalblockade scheinbar auch gezielt bestimmte Funktionen in Mikroglia hemmen kann. In in vitro stimulierten M1 und M2 Mikroglia, die wir aus post-natalen Maus-Mikrogliakulturen gezüchtet haben, entdeckten wir ebenfalls signifikant unterschiedliche Kaliumkanalmuster. Wir planen daher in diesem Projekt (1) die Kaliumkanalprofile unterschiedlicher Mikrogliasubtypen in murinen Alzheimer- und Schlaganfall-Modellen zu bestimmen, (2) auch mögliche Variabilitäten in deren Kalziumkanalexpressionsmustern zu identifizieren, (3) unsere Erkenntisse aus den murinen Daten mittels Immunhistochemie in humanem Gewebe zu verifizieren, (4) die Kalziumsignalwege der verschiedenen Mikrogliasubtypen mittels pharmakologischer Blockade, si-RNA Transfektion und genetischen knock-out Modellen zu manipulieren und (5) die funktionellen Konsequenzen einer solchen gerichteten Ionenkanalblockade im Hinblick auf neuronale Viabilität und Differenzierung, sowie Neurogenese zu validieren. Kv1.3 and KCa3.1 Inhibitoren gelten als milde Immunmodulatoren, die ein geringes Nebenwirkungsprofil und ein vorteilhaftes Toxizitätsprofil aufweisen. Ziel dieser Studie ist es, mögliche neue therapeutische Strategien für nerodegenrative Erkrankungen wie Alzheimer oder Schlaganfall zu generieren. Erwin-Schrödinger-Stipendium

Die erhöhte Aktivität Knochen-abbauender Zellen, der sogenannten Osteoklasten, kann in entzündlichen Knochenerkrankungen wie Rheumatoider Arthritis (RA) zu Läsionen führen, die den Entzündungskreislauf weiter antreiben. Unser Interesse in diesem Projekt galt der Rolle von Kaliumkanälen und deren Aktivität in der Kalzium-abhängigen Reifung von Osteoklasten aus Makrophagen-Vorläuferzellen (eine Art von Immunzellen) in Gegenwart des Entzündungsbotenstoffs TNF-?. Da die Inhibierung von TNF-? derzeit eines der Hauptstrategien für RA-Therapie darstellt, jedoch in Verbindung mit einer generellen Schwächung des Immunsystems steht, sollte diese Studie die wissenschaftliche Grundlage für den möglichen Einsatz von klinisch getesteten und wenig immunkomprimierenden Kaliumkanalblockern als neue therapeutische Strategie für diese Krankheiten erforschen. Ionenkanäle sind kleine kanalförmige Proteine, die in Zellmembranen sitzen und den passiven Austausch von Ionen (geladenen Teilchen) zwischen zellulären Kompartiments (z.B. des Zellinneren und -äußeren) nach einem elektrochemischen Gradienten ermöglichen. Der Austausch von Kaliumionen hat dabei eine besondere Rolle in der Beeinträchtigung anderer Ionenströme, insbesondere der Regulierung von Kalzium, welches ein wichtiger Botenstoff für viele Zellfunktionen wie Proliferation, Migration, Überleben und Differenzierung (die Reifung von Zellen) ist. Durch die genetische Analyse von Maus-Zellkulturen konnten wir einen, im Gegensatz zu Makrophagen-Vorläuferzellen, in Osteoklasten dominanten Kaliumkanal namens KCa3.1 identifizieren. Zellen, die durch genetische Manipulation diesen Kanal nicht aufweisen, waren dabei interessanterweise in deutlich geringerem Ausmaß dazu im Stande sich zu Osteoklasten zu entwickeln, insbesondere in Gegenwart von TNF-?. Ähnliche Ergebnisse konnten mit dem Kaliumkanalblocker TRAM-34 erreicht werden, der KCa3.1 pharmakologisch hemmt. Des weiteren konnten wir zeigen, dass die Hemmung der KCa3.1-Aktivität mit reduzierten zellulären Kalziumsignalen in Verbindung steht, sowie einer geringeren Produktion von Gentranskripten und Proteinen, die für den Abbau von Knochenmaterial benötigt werden. In dieser Studie konnten wir den Kaliumkanal KCa3.1 als einen wichtigen Regulator für Kalziumsignale in Osteoklastenreifung identifiziert, der sowohl in entzündlichen als auch in physiologischen Signalwegen eine wichtige Rolle spielt. Daher könnte KCa3.1 ein mögliches neues Zielmolekül für die zukünftige Therapie entzündlicher Knochenerkrankungen darstellen.