Funktionelle Charakterisierung und Maturierung nativer und von Stammzellen abgeleiteter Kardiomyozyten

1) Effekte der kardialen Myosin-Isoformen auf Kontraktion intakter Kardiomyozyten: In diesem Projekt untersuchen wir Effekte der Myosin-Isoformen in intakten Kardiomyozyten der Ratte und des Menschen (hESC-CMs, sowie adulte humane Kardiomyozyten, isoliert aus kardialem Resektionsgewebe) unter physiologischen Bedingungen.

Hintergrund zu diesen Untersuchungen stellt unsere evidenzbasierte Hypothese zur HCM Entwicklung dar. Hier ergaben unsere langjährigen Untersuchungen an HCM-verursachenden Mutationen in der ventrikulären Isoform des Motorproteins Myosin (β-MyHC), dass dabei durch ungleiche Expression des mutierten und des nicht-mutierten Myosins von Zelle zu Zelle eine ungleiche Kraftentwicklung benachbarter Herzmuskelzellen entsteht - „contractile imbalance. Dieses funktionelle Mosaik trägt höchstwahrscheinlich maßgeblich zur Entwicklung der Erkrankung und der damit verbundenen Hypertrophie, der Unordnung der Herzmuskelzellen und der Fibrosierung des Myokards bei. Demgegenüber ist die im gesunden Herzen normale unterschiedliche Expression von zwei funktionell höchst verschiedenen Isoformen des Myosins (langsame β-MyHC und schnelle α-MyHC) in benachbarten Herzmuskelzellen des Vorhofs und des Ventrikels überraschenderweise kein Problem für die strukturelle und funktionelle Integrität des Herzmuskels. Histologische Untersuchungen haben gezeigt, dass in gesundem Herzgewebe von Vorhof und Ventrikel Herzmuskelzellen mit unterschiedlichen Anteilen der schnellen, atrialen schweren Kette des Myosins (α-MyHC) und dem langsamen β-MyHC mosaikartig in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander liegen und miteinander verbunden sind. Andererseits wurde für isolierte, permeabilisierte Herzmuskelzellen adulter Ratten gezeigt, dass die Kinetik der Kraftentwicklung und der Energieverbrauch entscheidend von der MyHC-Isoform (α- oder β-MyHC) abhängt. Dabei hat die α-MyHC eine schnellere Kinetik der Krafttransienten und einen höheren Energieverbrauch als β-MyHC. Für uns stellt sich im Hinblick auf Pathomechanismen der HCM und sich daraus ergebende potenzielle neue Therapieansätze die Frage, durch welchen Mechanismus der Herzmuskel die funktionellen Unterschiede von α- und β-MyHC in benachbarten Herzmuskelzellen ausgleicht, sodass hier keine „contractile imbalance“ entsteht, im Gegensatz zu mutationsbedingten Veränderungen beispielsweise im β-MyHC bei HCM. Insbesondere fokussieren wir uns hierbei auf Regulation der Kontraktion über den Verlauf des intrazellulären Calciumtransienten, post-translationale Modifikationen der Sarkomer-Proteine sowie Isoformen-Switch und temperaturabhängige Veränderungen der Kontraktionskinetik des Myosins.

2) Effekte der Myosin-Mutationen der Hypertrophen Kardiomyopathie (HCM) auf Kontraktilität intakter hIPSC-CMs:

In diesem Projekt haben wir in Kooperation mit der AG Martin/Zweigerdt (LEBAO, MHH) u.a. ein zelluläres Modell der HCM basierend auf hIPSC-CMs mit Punktmutationen im β-MyHC entwickelt. Früh nach kardiomyogener Differenzierung (d10-15) zeigen hESC-CMs und hIPSC-CMs häufig eine predominante Expression des α-MyHC Proteins. Für die Untersuchung der Effekte der Punktmutationen (HCM) in β-MyHC ist eine ausschließliche β-MyHC Protein Expression auf Einzelzell-Ebene essenziell. Wir konnten zeigen, dass Langzeit-Plattierung auf steifer Matrix (Glas) die Expression an β-MyHC auf Einzelzell-Ebene effizient steigert (Weber et. al., 2016). Ferner entwickelten wir eine neue Methode der Einzelzell-Wiederfindung, die es uns ermöglicht Abhängigkeiten zwischen den funktionellen (Kontraktion, Calcium-Transient, Aktionspotential) und expressionellen Parametern (MyHC-Isoform) derselben Kardiomyozyten zu untersuchen (Weber & Kowalski et. al., 2020). Hiermit können wir Kardiomyozyten mit ausschließlicher β-MyHC Expression mit und ohne Myosin-Mutation miteinander vergleichen.

3) Maturierung der hPSC-CMs und die Aufklärung der involvierten Signalkaskaden:

Die Relevanz der Untersuchung auf Einzelzell-Ebene im hPSC-CM Modell ergibt sich aus der Tatsache, dass hPSC-CM-Kulturen eine bemerkenswerte Heterogenität aufweisen können, auch im Hinblick auf unterschiedliche Expressionsmuster für α- oder β-MyHC auf Einzelzell-Ebene. In diesem Zusammenhang untersuchen wir deshalb Maturierung von hPSC-CMs zu einem adulten, ventrikel-ähnlichen Phänotyp. Hierbei geht es um Strategien der Kultivierung, um die Maturierung (der ventrikulären Isoformen der Sarkomer-Proteine, der Calciumhandling-Proteine sowie der Ionenkanalexpressionen auf Protein- und Funktionsebene) zu triggern, und um die Aufklärung der darin involvierten Signalwege. Der Reifungszustand von hPSC-CMs spielt eine wesentliche Rolle bei der Etablierung eines Zellkultur-Modells der HCM sowie für mögliche klinische Applikationen von hPSC-CMs in der Zellersatztherapie und für das Wirkstoff-Screening.

• Präparation, Isolierung nach Langendorff-Technik und primäre Zellkultur adulter intakter Kardiomyozyten der Ratte sowie adulter humaner Kardiomyozyten aus humanem kardialen Resektionsgewebe
• Charakterisierung elektrisch stimulierter Kontraktionen (twitch) in intakten Kardiomyozyten mittels Analyse der Sarkomer-und Zelllängenänderung (edge detektion, contractility and calcium setup, IonOptix).
• Charakterisierung der intrazellulären Calciumkinetik mittels Calciumindikatoren (Fura-2 und Fluo-4; contractility and calcium setup, IonOptix).
• Zuordnung funktioneller Parameter zu mRNA- und Proteinexpression sarkomerischer Proteine auf Einzelzell-Ebene mittels einer neu entwickelten Wiederfindungsmethode (single cell mapping).
• Patchclamp-Messungen zur Analyse von Aktionspotentialen intakter Kardiomyozyten in Kooperation mit AG PD Dr. Martin Fischer (Neurophysiologie)
• Genexpressionsanalysen (oligonucleotide DNA microarray analysis, qPCR) ausgewählter kardialer Gengruppen
• Analyse der Expression von Proteinen des Sarkomers und des Calcium-handlings mittels Histologie, Immunfluoreszenz und Western Blot

Aktuelle Mitarbeiter

• Dr. med. PhD Natalie Weber

• Dr. rer. nat. Joachim Meißner
• M. Sc. Felix Osten
• Tim Holler (MTLA)
• Cand. med. Jan Nicolas Riesselmann (StrukMed)
• Cand med. Ikuye, Thomas Richard Saka (StrukMed)
• Nicola Kohring (FWJ)
• Birgit Piep (VMTA)
• Uwe Krumm (FH)
   

Ehemalige Mitarbeiter/-innen

• Dr. rer. nat. Meike Wendland
• Dr. med. Stephan Greten
• Cand. med. Simon Schulte (StrukMed)
• Neele Peschel (FWJ)
• Alea Bodenschatz (FWJ)

• Foinquinos A, Batkai S, Genschel C, Viereck J, Rump S, Gyongyosi M, Traxler D, Riesenhuber M, Spannbauer A, Lukovic D, Weber N, Zlabinger K, Hasimbegovic E, Winkler J, Fiedler J, Dangwal S, Fischer M, de la Roche J, Wojciechowski D, Kraft T, Garamvolgyi R, Neitzel S, Chatterjee S, Yin X, Bar C, Mayr M, Xiao K, Thum T. Preclinical development of a miR-132 inhibitor for heart failure treatment. Nature communications. 2020;11(1):633.
• Halloin C, Schwanke K, Lobel W, Franke A, Szepes M, Biswanath S, Wunderlich S, Merkert S, Weber N, Osten F, de la Roche J, Polten F, Christoph Wollert K, Kraft T, Fischer M, Martin U, Gruh I, Kempf H, Zweigerdt R. Continuous WNT Control Enables Advanced hPSC Cardiac Processing and Prognostic Surface Marker Identification in Chemically Defined Suspension Culture. Stem cell reports. 2019;13(2):366-79.
• Eigendorf J, May M, Friedrich J, Engeli S, Maassen N, Gros G, Meissner JD. High Intensity High Volume Interval Training Improves Endurance Performance and Induces a Nearly Complete Slow-to-Fast Fiber Transformation on the mRNA Level. Frontiers in physiology. 2018;9:601.
• Iorga B, Schwanke K, Weber N, Wendland M, Greten S, Piep B, Dos Remedios CG, Martin U, Zweigerdt R, Kraft T, Brenner B. Differences in Contractile Function of Myofibrils within Human Embryonic Stem Cell-Derived Cardiomyocytes vs. Adult Ventricular Myofibrils Are Related to Distinct Sarcomeric Protein Isoforms. Frontiers in physiology. 2017;8:1111.
•  Kubis HP, Scheibe RJ, Decker B, Hufendiek K, Hanke N, Gros G, Meissner JD. Primary skeletal muscle cells cultured on gelatin bead microcarriers develop structural and biochemical features characteristic of adult skeletal muscle. Cell biology international. 2016;40(4):364-74.
• Al-Samir S, Wang Y, Meissner JD, Gros G, Endeward V. Cardiac Morphology and Function, and Blood Gas Transport in Aquaporin-1 Knockout Mice. Frontiers in physiology. 2016;7:181.
• Weber N, Schwanke K, Greten S, Wendland M, Iorga B, Fischer M, Geers-Knorr C, Hegermann J, Wrede C, Fiedler J, Kempf H, Franke A, Piep B, Pfanne A, Thum T, Martin U, Brenner B, Zweigerdt R, Kraft T. Stiff matrix induces switch to pure beta-cardiac myosin heavy chain expression in human ESC-derived cardiomyocytes. Basic research in cardiology. 2016;111(6):68.
• Scharf M, Neef S, Freund R, Geers-Knorr C, Franz-Wachtel M, Brandis A, Krone D, Schneider H, Groos S, Menon MB, Chang KC, Kraft T, Meissner JD, Boheler KR, Maier LS, Gaestel M, Scheibe RJ. Mitogen-activated protein kinase-activated protein kinases 2 and 3 regulate SERCA2a expression and fiber type composition to modulate skeletal muscle and cardiomyocyte function. Molecular and cellular biology. 2013;33(13):2586-602.
• Al-Samir S, Papadopoulos S, Scheibe RJ, Meissner JD, Cartron JP, Sly WS, Alper SL, Gros G, Endeward V. Activity and distribution of intracellular carbonic anhydrase II and their effects on the transport activity of anion exchanger AE1/SLC4A1. The Journal of physiology. 2013;591(20):4963-82.
• Mutig N, Geers-Knoerr C, Piep B, Pahuja A, Vogt PM, Brenner B, Niederbichler AD, Kraft T. Lipoteichoic acid from Staphylococcus aureus directly affects cardiomyocyte contractility and calcium transients. Molecular immunology. 2013;56(4):720-8.
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Publizierte Abstracts

• Weber N., Holler T., Meißner J., Montag J., Peschel N., Mayer A., Schwanke K., Piep B., Martin U., Zweigerdt R., Kraft T. Pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from a patient with Arg723Gly β-myosin heavy chain mutation show alterations in twitch contractions, calcium transients and highly variable allele specific expression of mutant/wildtype β-MyHC mRNA. Circulation.2019;140:A13008. AHA Scientific Sessions Conference, Philadelphia, USA, 2019.
• Kowalski K., Weber N., Holler T., Radocaj A., Fischer M., de la Roche J., Tiemann S., Schwanke K., Piep B., Lingk A., Krumm U., Martin U., Zweigerdt R., Brenner B., Kraft T. Twitch kinetics and action potential parameters are independent of expressed myosin heavy chain isoform in human stem cell-derived cardiomyocytes. Acta physiologica, October 2019, Volume 227, Issue S719, pp146-147. Deutsche Physiologische Tagung 2019.
• Schöpel G., Maier F., Weber N., Kraft T., Radocaj A., Zeug A., Fernandez J., Gutierrez J.M., Lomonte B., Loepz Davila A.J. A snake toxin phospholipase A2 homologue impairs excitation-contraction coupling and induces cell collapse in adult rat cardiomyocytes. Acta physiologica, October 2019, Volume 227, Issue S719, page 147. Deutsche Physiologische Tagung, 2019.
• Weber N., Holler T., Peschel N., Schwanke K., Piep B., Martin U., Zweigerdt R., Kraft T. Pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from a patient with Arg723Gly β-myosin heavy chain mutation as model for Hypertrophic Cardiomyopathy? J Muscle Res Cell Motil (2019) 40:272-273. European Muscle Conference, Canterbury, UK, 2019.
• Grunert M., Appelt S., Weber N., Huanhuan Cui, Fleur E. Mason, Niels Voigt, Silke R. Sperling. Induced pluripotent stem cell of patients with Tetralogy of Fallot reveal alterations in cardiomyocyte differentiation [version 1; not peer reviewed]. F100Research 2019, 8:1192 (poster) (doi:10.7490/f1000research.1117120.1). ISMB/ECCB, Basel, Switzerland, 2019.
• Weber N., Kowalski K., Holler T., Radocaj A., Fischer M., de la Roche J., Thiemann S., Schwanke K., Lingk A., Krumm U., Piep B, Martin U., Zweigerdt R., Brenner B., Kraft T. In human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes twitch kinetics and action potential parameters are independent of the xpressed myosin heavy chain isoform. Biophysical Journal, Vol. 116, Issue 3, Suppl. 1, p118a. Biophysical Society Meeting, Baltimore, USA, 2019. Recipient of Travel Award from the Biophysical Society 2019.
• Lopez-Davila A.J., Weber N., Kraft T., Arias-Hidalgo M., Fernandez J., Gutierrez J.M., Lomonte B. A phospholipase A2 homologue increases the intracellular calcium concentration and induces spontaneous intracellular calcium transients and cell colapse in adult rat cardiomyocytes. Europhysiology 2018 (London, UK) (2018) Proc Physiol Soc 41, PCA032. Europhysiologia, London, 2018.
• Weber N., Kowalski K., Holler T., Radocaj A., Schwanke K., Lingk A., Krumm U., Wendland M., Zywietz U., Chichkov B., Martin U., Zweigerdt R., Bernhard Brenner, Theresia Kraft. Human Embryonic Stem-Cell Derived Cardiomyocytes: Single-Cell Mapping to Relate Twitch Kinetics to Myosin Heavy Chain Protein and mRNA-Expression. Biophysical Journal 114 (3): 549a. Biophysical Society Meeting, San Fransisco, USA, 2018.
• Iorga B., Weber N., Schwanke K., Piep B., Wendland M., Greten S., Martin U., Zweigerdt R., Kraft T., Brenner B. Do β-Myosin heavy chain isoform-expressing myofibrils within human ESC-derived cardiomyocytes recapitulate the contractile features of adult human ventricular myofibrils?, J. Muscle Res. Cell. Motil., 2017, 38:391, DOI 10.1007/s10974-017-9490-8; European Muscle Conference, 2017, Potsdam, Germany
• Weber N., Kowalski K., Holler T., Lingk A., Radocaj A., Krumm U., Wendland M., Zywietz U., Chichkov B., Schwanke K., Martin U., Zweigerdt R., Brenner B., Kraft T. Single cell mapping used to assign mRNA and protein expression of cardiac myosin heavy chain to twitch kinetics of the same human embryonic stem cell derived cardiomyocyte. J Muscle Res Cell Motil 38:344. European Muscle Conference, Potsdam, GER, 2017. Young Investigator Award, 1st place.
• Weber N., Iorga B., Wendland M., Piep B., Schwanke K., Ulrich M, Zweigerdt R., Brenner B., Kraft T. Triiodothyronine induces switch to pure fast cardiac myosin heavy chain in human embryonic cardiomyocytes with significant increase in tension cost. Acta physiologica, vol. 219, Issue S711, page 134, B07-3. German Annual Physiology Society Conference, GER, 2017. Travel grant to the conference given by the German Physiology Society.
• Iorga B., Wendland M., Schwanke K., Greten S., Weber N., Martin U., Zweigerdt R., Kraft T., Brenner B. Contractile function of myofibrils within human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes with known cardiac myosin isoform composition using a novel micromechanical approach, Acta Physiol, 2016, March, vol. 216, Suppl. S707, pg.59; 95th Deutsche Physiologische Gesellschaft Conference, 2016, Lübeck, Germany.
• Wendland M., Weber N., Greten S., Schwanke K., Iorga B., Fischer M., Geers-Knörr C., Wrede C., Hegemann J., Martin U., Brenner B., Zweigerdt R., Kraft T. Human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes: Maturation on stiff matrix induces pure β-myosin protein expression and adult-like functional properties at the single-cell level. Acta physiologica, vol. 216, Issue S707, page 216, P22-01. German Annual Physiology Society Conference, Lübeck, 2016.
• Weber N., Iorga B., Greten S., Wendland M., Schwanke K., Martin U., Brenner B., Zweigerdt R., Kraft T. Expression of fast vs. slow cardiac myosin heavy chain in human embryonic stem-cell derived cardiomyocytes: Effects on force generation, tension cost and time course of twitches. Acta physiologoca; vol. 213, Issue S699, page 113, P114. German Annual Physiology Society Conference, Magdeburg, 2015. Travel grant to the conference given by the German Physiology Society.
• Weber N., Iorga B., Greten S., Wendland M., Schwanke K., Martin U., Brenner B., Zweigerdt R., Kraft T. Maturation towards pure β-myosin protein expression and corresponding functional properties of individual hESC-cardiomyocytes. Biophysical Journal 110(3):294a. Biophysical Society Meeting, Los Angeles, USA, 2016.
• Wendland M., Weber N., Greten S., Schwanke K., Iorga B., Fischer M., Geers-Knörr C., Wrede C., Hegemann J., Martin U., Brenner B., Zweigerdt R., Kraft T. Human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes: Maturation on stiff matrix induces pure β-myosin protein expressionand adult-like functional properties at the single-cell level. Acta physiologica, vol. 216, Issue S707, page 216, P22-01. German Annual Physiology Society Conference, Lübeck, 2016.
• Weber N., Iorga B., Greten S., Wendland M., Schwanke K., Martin U., Brenner B., Zweigerdt R., Kraft T. Expression of fast vs. slow cardiac myosin heavy chain in human embryonic stem-cell derived cardiomyocytes: Effects on force generation, tension cost and time course of twitches. Acta physiologoca; vol. 213, Issue S699, page 113, P114. Travel grant to the conference given by the German Physiology Society. German Annual Physiology Society Conference, Magdeburg, 2015.
• Mutig N., Geers-Knörr C., Piep B., Pahuja A., Vogt P.M.,Brenner B., Niederbichler A.D., Kraft T. Early stimulating and late inhibiting effects of lipoteichoic acid on adult cardiomyocyte contractility and calcium transients. Acta physiologica; vol. 210, Issue S695, page 160, P 203. German Annual Physiology Society Conference, Mainz, 2014.

 

• Prof. U. Martin & Dr. R. Zweigerdt (LEBAO, MHH)
• Prof. C. Wahl-Schott & Prof. E. Ponimaskin (Institut für Neurophysiologie, MHH)
• Prof. A. Haverich & Prof. J. D. Schmitto (HTTG, MHH)
• Prof. T. Thum (IMTTS, MHH)
• Prof. K. C Wollert (Molekulare und Translationale Kardiologie, MHH)
• Prof. Silke Rickert-Sperling (Max Delbrück Center, Berlin)

• Dr. med. Natalie Weber:

Themen der durchgeführten Praktika für Human- und Zahnmediziner/-innen, Biologen/-innen: Muskel, Herz-/Kreislauf, Blut; Säure-Base/Energieumsatz/Leistungsphysiologie.

Themen der durchgeführten Seminare für Human- und Zahnmediziner/-innen, Biologen/-innen: Muskel, Herz, Blut, Ohr, Hormone, ZNS, Nerv.

 

• Dr. Joachim Meißner:

Themen der durchgeführten Praktika für Human- und Zahnmediziner/-innen, Biologen/-innen: Herz, Kreislauf, Atmung, Säure/Basen, Blut, Salz/Wasser, Muskel, ZNS, Ohr, Auge.

Themen der durchgeführten Seminare für Human- und Zahnmediziner/-innen, Biologen/-innen: Herz, Kreislauf, Atmung, Blut, Niere, Muskel, Nerv, ZNS, Ohr, Auge, Hormone, Verdauung.

 

• Felix Osten:

Themen der durchgeführten Praktika für Human- und Zahnmediziner/-innen, Biologen/-innen: Muskel

 

• Wir bieten regelmäßig die Möglichkeit eine StrucMed-Arbeit in unserer AG Weber durchzuführen. Richten Sie sich gerne mit einer Initiativbewerbung an Frau Dr. med. Natalie Weber.

• Wir betreuen seit einigen Jahren sehr erfolgreich FWJler (Freiwilliges Wissenschaftliches Jahr). Richten Sie sich für Anfragen gerne an Frau Nadine Dunker aus dem Büro für Freiwilligendienste.

 

Allgemeines zur Lehre des Zentrums Physiologie