Kardiovaskuläre Zellforschung

Endothelzellbiologie (Mechanotransduktion, Inflammation)

Interaktion von Implantatmaterialien mit Gefäß- und Blutzellen (Zellmotilität, Immunreaktion, bakterielle Infektion)

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AG Kardiovaskuläre Zellforschung
Klinik und Poliklinik für Innere Medizin B
Universitätsmedizin Greifswald
Forschungscluster III
Fleischmannstraße 41
17475 Universitäts- und Hansestadt Greifswald
E-Mail: buschr@uni-greifswald.de
Fon: +49(3834) 86-80092
 

Aktuelle Themen für Doktorarbeiten:

• Biomechanik und Motilität humaner kardialer Endothelzellen in Interaktion mit verschiedenen Implantatmaterialien unter physiologischen Bedingungen
• Materialassoziierte inflammatorische Aktivierung von Blut- und Endothelzellen und Einfluss infektionshemmender Substanzen
• Molekulare Mechanismen der Interaktion von Blutzellen mit verschiedenen Implantatmaterialien unter physiologischen Bedingungen
• Interaktion von Bakterien und Endothelzellen auf Implantatmaterialien
• Qualitative Datenerhebung der  Langzeitperspektive von Patienten mit kardiovaskulären Implantaten

Abgeschlossene Arbeiten

• „Der Einfluss des Apelin/APJ-Systems auf die Suaerstoffradikalproduktion von glatten Gefäßmuskelzellen“ von Daniel Seifert 2019
• „Der Einfluss des APJ auf die flussinduzierte Migration von humanen venös-umbilikalen Endothelzellen“ von Ilka Materzok 2018 (Bachelorarbeit)
• „Die Bedeutung des APJ-Rezeptors für die biomechanischen und morphologischen Eigenschaften von Endothelzellen“ von Malte Pennewitz 2018 (medizinische Doktorarbeit)
  Träger des Promotionspreises der Gesellschaft der Internisten Mecklenburg-Vorpommern e.V. 2021
• „Der Einfluss von Statinen auf die endotheliale Proliferation und flussinduzierte Migration“ von Florian Lorenz 2017 (naturwissenschaftliche Doktorarbeit)
• „Entwicklung einer Methode zum Live Cell Imaging der endothelialen NO-Produktion in einem in vitro Scherstressmodell“ von Lennard Kottke 2015 (Bachelorarbeit)
• „Die Bedeutung der endothelialen Mechanotransduktion für vaskuläre Implantate: Das Apelin/APJ-System“ von Anne Strohbach 2014 (naturwissenschaftliche Doktorarbeit)
• „Bedeutung des APJ-Rezeptors für die endotheliale Mechanotransduktion und Adhäsion mittels Live-Cell-Imaging“ von Florian Lorenz 2013 (Diplomarbeit)

Hintergrund: Die Art des Blutflusses und die Kräfte, welche auf eine Gefäßwand wirken, verursachen dramatische Veränderungen in der Morphologie und der Expression auf Transkriptions- und Translationsebene von Endothelzellen. Die endotheliale Zellantwort auf einen gestörten Blutfluss trägt in großem Maße zur Ausbildung einer endothelialen Dysfunktion bei und begünstigt die Aktivierung und Adhäsion von Immunzellen. Dies kann zur Entwicklung atherosklerotischer Erkrankungen wie der koronaren Herzkrankheit (KHK) führen.

Eine einzelne Schicht von Endothelzellen kleidet die Innenwand eines jeden Blutgefäßes aus. Dabei dient das Endothel als Barriere zwischen dem fließenden Blut und der Gefäßwand, wodurch es permanent mechanischen Reizen ausgesetzt ist. Mechanosensitive Strukturen auf der Zelloberfläche übersetzen diese Stimuli und modulieren so die Zellfunktion. Die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) ist dabei wichtiger Marker für die Endothelfunktion. Eine erhöhte NO-Produktion führt zu einer verbesserten vaskulären Funktion, verringert die Adhäsion von Leukozyten an Endothelzellen, verhindert die Aggregation von Thrombozyten und moduliert die Proliferation glatter Muskelzellen. Wird das Endothel verletzt, sind die darunter liegenden glatten Muskelzellen plötzlich dem Blutstrom ausgesetzt. Interessanterweise exprimieren sie ebenfalls eine Reihe der endothelialen mechanosensitiven Strukturen. Dazu gehören unter anderem G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (G-Protein coupled Receptor, GPCR), die mit ihren sieben Transmembrandomänen die Plasmamembran durchspannen und auf der zytosolischen Seite mit heterotrimeren G-Proteinen interagieren. Es konnte gezeigt werden, dass für die Aktivierung und folgende G-Protein-abhängige Signalübertragung sowohl ein direkte Ligand-Rezeptor-Interaktion als auch eine Liganden-unabhängige mechanische Dislokation des Rezeptors selbst verantwortlich sein können.

Unser Forschungsschwerpunkt zielt auf die Charakterisierung des Apelin/APJ-Systems in humanen Endothel- und glatten Muskelzellen. Das Apelin/APJ-System wird in einer Vielzahl an Geweben und Organen exprimiert. Es scheint erwiesen, dass die Apelinexpression in artherosklerotischen Gefäßen beim Menschen hochreguliert ist und im speziellen Fall eines diabetischen Mausmodells Apelin einen reversen Effekt auf die Pathogenese der endothelialen Dysfunktion hat. Allerdings wurden in anderen Tiermodellen sowohl gefäßprotektive als auch Artherosklerose fördernde Tendenzen des Apelin/APJ-Systems ausgemacht. Dementsprechend erscheint es umso wichtiger, auch in vitro detaillierte Erkenntnisse zum Einfluss des APJ auf funktionelle und biomechanische Eigenschaften des Endothels zu eruieren.

Publikationen

1. Strohbach A, Böhm A, Mahajan-Thakur S, Wirtz C, Wetzel H, Busch MC, Felix SB, Rauch BH, Busch R. Platelet APJ expression is reduced in patients with acute myocardial infarction. Vascular Pharmacology 2021 Feb;136:106808. doi: 10.1016/j.vph.2020.106808. Epub 2020 Oct 29.
2. Nature Reviews Cardiology 2020, Feb. COVER: The cover shows aggregated platelets in a fibrinogen matrix imaged by scanning electron microscopy. Image: Rabea Schlüter, University of Greifswald, Germany; Lisa Maletzki and Raila Busch, University Medicine Greifswald, Germany; acknowledgement to Stefan Bock for technical assistance.
3. Strohbach A, Pennewitz M, Glaubitz M, Palankar R, Groß, Lorenz F, Materzok I, Rong A, Busch MC, Felix SB, Delcea M, Busch R. The apelin receptor influences biomechanical and morphological properties of endothelial cells: The impact of APJ on endothelial morphology. Journal of Cellular Physiology 2018 Aug;233(8):6250-6261. doi: 10.1002/jcp.26496.
4. Busch R, Strohbach A, Pennewitz M, Lorenz F, Bahls M, Busch MC, Felix SB. Regulation of the endothelial apelin/APJ system by hemodynamic fluid flow. Cell Signal 2015 Jul;27(7):1286-96. doi:10.1016/j.cellsig.2015.03.011.
5. Wirtz C, Mahajan-Takur S, Böhm A, Strohbach A, Felix SB, Busch R, Rauch BH. The vasodilatory APJ receptor agonistic peptide apelin attenuates human platelet aggregation. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology 2014 Feb;387:S65

Manuskripte

1. Strohbach A, Böhm A, Mahajan-Thakur S, Wirtz C, Wetzel H, Busch MC, Felix SB, Rauch BH, Busch R. Platelet APJ expression is reduced in patients with acute myocardial infarction. Vascular Pharmacology. July 2019. In Revision.

Tagungsbeiträge

1. Feldtmann R, Kuemmel A, Riad A, Chamling B, Strohbach A, Klingel K, Gross S, Doerr M, Westermann D, Lindner D, Felix SB. The immune protein MD-2 is associated with early death in dilated cardiomyopathy and increases M1 macrophage polarization and recruitment in vitro. European Heart Journal 2019; Volume 40(Supplement_1). doi: 10.1093/eurheartj/ehz746.0096.
2. Feldtmann R, Kuemmel A, Riad A, Chamling B, Strohbach A, Westermann D, Lindner D, Felix SB. Soluble MD-2 in patients with inflammatory and idiopathic dilated cardiomyopathy is associated with M1 macrophage polarization and early death. Clin Res Cardiol 107 Suppl 1, April 2018 - Beitrag V1167. DOI: 10.1007/s00392-018-1216-4.
3. Feldtmann R, Kuemmel A, Abdiu E, Chamling B, Felix SB, Busch R, Strohbach A. Maturating B lymphocytes in the setting of acute myocardial infarction. Clin Res Cardiol 107 Suppl 1, April 2018 - Beitrag V824. DOI: 10.1007/s00392-018-1216-4.
4. Strohbach A, Pennewitz M, Palankar R, Delcea M, Felix SB, Busch R. The APJ receptor: involvement in PECAM-1- induced mechanotransduction? Clin Res Cardiol. 2015;103(Suppl 1). Vortrag auf dem DGK Kongress 2015 in Mannheim.
5. Strohbach A, Pennewitz M, Glaubitz M, Palankar R, Delcea M, Felix SB, Busch R. The APJ Receptor: Involvement in PECAM-1-induced Mechanotransduction. Vortrag auf dem ESC Kongress 2014 in Barcelona. 30.08.-03.09.2014.
6. Strohbach A, Pennewitz M, Palankar R, Delcea M, Felix SB, Busch R. The influence of APJ on endothelial mechanotransduction. Clin Res Cardiol. 2014;103(Suppl 1). Vortrag auf dem DGK Kongress 2014 in Mannheim.
7. Strohbach A, Busch R, Peterson S, Sternberg K, Felix SB. Parameters of Endothelial Function are Dependent on Polymeric Surface Material. Biomed Tech (Berl). 2013 Sep 7. doi: 10.1515/bmt-2013-4053. Vortrag auf der IBMT 2013 in Graz.
8. Strohbach A, Busch MC, Felix SB, Busch R. The Apelin/APJ System: Different Pathways and Functions of the Isoforms Apelin-12 and Apelin-13. Clin Res Cardiol. 2013;102(Suppl 1). Vortrag auf dem DGK Kongress 2013 in Mannheim.
9. Strohbach A, Busch R, Sczodrok S, Krömer H, Sternberg K, Felix SB. Interaction of human Endothelial Cells and Platelets with Polymer Surfaces. Biomed Tech (Berl).2010. Vortrag auf der IBMT 2011 in Rostock.

Postervorträge der letzten 3 Jahre

1. Feldtmann R, Kuemmel A, Riad A, Chamling B, Strohbach A, Klingel K, Gross S, Doerr M, Westermann D, Lindner D, Felix SB. Soluble MD-2 in patients with dilated cardiomyopathy is associated with early death and M1 macrophage polarization and recruitment. European Heart Journal, Volume 39, Issue suppl_1, 1 August 2018, ehy565.P1504. – certified as best poster in the category OMICS in cardiomyopathies
2. Kuemmel A, Strohbach A, Riad A, Chamling B, Gross S, Doerr M, Felix SB, Feldtmann R. Correlation of soluble HMGB1 with MD-2 serum levels in dilated cardiomyopathy European Heart Journal, Volume 39, Issue suppl_1, 1 August 2018, ehy565.P1506. – certified as best poster in the category OMICS in cardiomyopathie
3. Feldtmann R, Kümmel A, Abdiu E, Chamling B, Gross S, Dörr M, Felix SB, Busch R, Strohbach A. Elevated counts of naive and memory B cells might be associated with the severity of myocardial damage in the setting of acute myocardial infarction. August 2018. European Heart Journal 39(suppl_1) doi: 10.1093/eurheartj/ehy565.P1693.
4. Kuemmel A, Strohbach A, Chamling B, Riad A, Felix SB, Feldtmann R. Correlation of soluble HMGB1 with serum MD-2 levels in dilated cardiomyopathy. Clin Res Cardiol 107, Suppl 1, April 2018
5. Feldtmann R, Kümmel A, Abdiu E, Chamling B, Groß S, Felix SB, Busch R and Strohbach A. Elevated counts of naïve and memory B cells might be associated with the severity of myocardial damage in the setting of acute myocardial infarction. FASEB J. 2018; 32, 1_supplement: 717.2
6. Materzok I, Lorenz F, Bahls M, Strohbach A, Doerr M, Felix SB, Busch R. Pravastatin but not atorvastatin influences endothelial cell mechanotaxis via APJ signaling. August 2017. European Heart Journal 38(suppl_1) doi: 10.1093/eurheartj/ehx504.
7. Lorenz F, Strohbach A, Felix SB, Doerr M, Busch R, Bahls M. The Apelin/APJ System Mediates Pravastatin - But Not Atorvastatin - Induced HUVEC Proliferation. FASEB J. 2016; 32, 1_supplement: 717.2.
8. Lorenz F, Strohbach A, Felix SB, Doerr M, Busch R, Bahls M. Differential effects of pravastatin and atorvastatin on endothelial cell proliferation and migration Clin Res Cardiol. 2016;105(Suppl 1).
   
   

Hintergrund: Für die gezielte Steuerung der Zellphysiologie sind die Eigenschaften von Biomaterialien von besonderer Bedeutung. Zelluläre Prozesse werden maßgeblich durch die Interaktion mit dem Implantatmaterial beeinflusst und gesteuert. Für eine optimale biologische Integration des Implantats sind sowohl eine nahezu vollständige Endothelialisierung sowie die Induktion einer physiologischen Funktionalität der umliegenden Endothelzellen von elementarer Bedeutung. Diese zelluläre Funktionalität wird dabei von den physiko-chemischen Eigenschaften des Biomaterials beeinflusst, welche direkt zelluläre Reaktionen an der Grenzfläche steuert. Das Implantatmaterial kann nicht nur Auswirkungen auf die Biokompatibilität des Biomaterials haben, sondern gezielt spezifische zelluläre Parameter, wie Zelladhäsion, Zellmorphologie, Zellmotilität, Formation intrazellulärer Strukturen, v.a. das Aktinzytoskelett, beeinflussen. Studien belegen, dass sowohl die Expression und Ausbildung von Adhäsionsmolekülen (z.B. Integrine) sowie assoziierter Proteine (Vinkulin) als auch die Formation des Aktinzytoskeletts eine direkte Materialabhängigkeit zeigen. Diese Veränderungen der extra- als auch intrazellulären Morphologie gehen wiederum mit Änderungen in zellulären Signalkaskaden einher, welche wesentliche zellspezifische Funktionen regulieren. Dazu zählt u.a. die Expression zellspezifischer Rezeptoren, die Sezernierung von Matrixproteinen und die Synthese inflammatorischer und thrombogener Marker.

Unser Forschungsschwerpunkt zielt auf die Identifizierung der pathophysiologischen Ursachen dieser Prozesse im in vitro Perfusionsmodell. Zum Beispiel gilt die Endothelialisierung eines Implantats als stärkster Indikator für die spätere Ausbildung eines Thrombus. Sie fördert also nicht nur die biologische Integration der Implantate, sie verhindert auch die Adhäsion und Aktivierung von Thrombozyten und somit eine Thrombusbildung. Das Untersuchen und Verstehen der zellbiologischen Mechanismen hinsichtlich einer gesteuerten Zellfunktion durch die Oberflächentopographie von Biomaterialien ist daher von elementarer Bedeutung in der Entwicklung von innovativen Biomaterialien.

Die labortechnischen Standardverfahren zur Untersuchung von Gewebeverträglichkeit umfassen Vitalitäts- und Proliferationstest unter physiologischen Wachstumsbedingungen. In den letzten Jahren wurden insbesondere für die Untersuchung von Interaktionen o.g. Zellen mit neuen Implantatoberflächen analytische Funktionstests etabliert und durchgeführt, um zu  prüfen, ob das Material einen Einfluss auf die Funktion bzw. mechanischen Eigenschaften der Zellen hat. Hierzu gehört die die Rasterkraftmessung (AFM; atomic force measurement) von vitalen, auf Implantatoberflächen kultivierten humanen koronaren Endothelzellen, die Darstellung der Zellmotilität, sowie die Durchführung von Analysen zellspezifischer Rezeptoren, Moleküle und Stoffwechselprodukte auf Transkriptions- und Translationsebene.

Unsere Untersuchungen sind in Verbund-Projekte RESPONSE (BMBF) und Card-ii-Omics (ESF/EFRE) eingebunden und werden bis 2021 gefördert.

Publikationen

1. Strohbach A, Begunk R, Petersen S, Felix SB, Sternberg K, Busch R. Biodegradable Polymers Influence the Effect of Atorvastatin on Human Coronary Artery Cells. Int J Mol Sci. 2016 Jan 22;17(2). pii: E148. doi: 10.3390/ijms17020148.
2. Sternberg K, Busch R, Petersen S Polymers in Cardiology. In: Advanced Polymers in Medicine. Springer-Verlag 2015 p. 433-481.
3. Wulf K, Schünemann S, Strohbach A, Busch R, Felix SB, Schmitz KP, Sternberg K, Petersen S. Development of a tunable drug delivery system based on chitosan/polyacrylic acid polyelectrolyte multilayers from biodegradable scaffolds. BioNanoMat. 2015, Jul. doi: 10.1515/bnm-2015-0011.
4. Strohbach A, Busch R. Polymers for Cardiovascular Stent Coatings. International Journal of Polymer Science 2015. doi: 10.1155/2015/782653. Review.
5. Busch R, Strohbach A, Rethfeldt S, Walz S, Busch M, Petersen S, Felix SB, Sternberg K. New stent surface materials: the impact of polymer-dependent interactions of human endothelial cells, smooth muscle cells, and platelets. Acta Biomater. 2014 Feb;10(2):688-700. doi: 10.1016/j.actbio.2013.10.015.
6. Petersen S, Strohbach A, Busch R, Felix SB, Schmitz KP, Sternberg K. Site-selective immobilization of anti-CD34 antibodies to poly(l-lactide) for endovascular implant surfaces. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2014;102(2):345-55. doi: 10.1002/jbm.b.33012.
7. Busch R, Strohbach A, Peterson S, Sternberg K, Felix SB. Parameters of Endothelial Function are Dependent on Polymeric Surface Material. Biomed Tech (Berl). 2013 Sep 7. doi:10.1515/bmt-2013-4053.

Manuskripte

1. Maletzki M, Surmann K, Hildebrandt P, Hentschker C, Michalik S, Papendorf J, Strohbach A, Riedel K, Felix SB, Busch R, Völker U. Proteomic profiling of host-pathogen interactions in an S. aureus endocarditis related infection model
2. Strohbach A, Maess F, Rethfeldt S, Busch M, Petersen S, Sternberg K, Felix SB, Busch R. Hemocompatibility of Polymers: Platelet-Leukocyte Interactions on Biodegradable Polymeric Surface Materials.

Tagungsbeiträge

1. Maletzki L, Lorenz F, Bahls M, Fischer G, Felix SB, Strohbach A, and Busch R. Extracellular Cyclophilin A Inhibitor MM284 Supports Proliferation and Migration of Human Coronary Artery Endothelial Cells. FASEBJ Apr. 2019; Volume 33, No.1_supplement: 527.7. (Poster, Experimental Biology 2019, Orlando, Florida, USA)
2. Busch R, Strohbach A, Petersen S, Sternberg K, Felix SB. Parameters of Endothelial Function are Dependent on Polymeric Surface Material. Biomed Tech (Berl) 2013; Sep 7 (Vortrag, BMT 2013 in Graz, Österreich).
3. Strohbach A, Begunk R, Meyer zu Schwabedissen HE, Felix SB, and Busch R. The antiproliferative effect of atorvastatin is dependent on the stent surface material. European Heart Journal 2012; 33(Abstract Supplement) (Poster, ESC 2012 in München, Deutschland).
4. Rethfeldt S, Walz SA, Strohbach A, Fleix SB, and Busch R. Interaction of platelets and leukocytes with novel stent-polymer surfaces. Clin Res Cardiol 2012; 101(Suppl 1) (Vortrag, DGK 2012 in Mannheim, Deutschland).
5. Busch R, Strohbach A, Sczodrok S, Kroemer HK, Sternberg K, and Felix SB. Interaction of Human Endothelial Celss and Thrombocytes with Polymer Surfaces. Biomed Tech 2010; 55(Suppl 1) (Vortrag, BMT 2010 in Rostock, Deutschland).