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    Herzerkrankungen in der Einzelzellanalyse

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    Den Ursachen von kardiovaskulären Krankheiten auf der Spur: Eine neue Methode erlaubt es Forschern – mit bisher ungeahnter Präzision – molekulare Prozesse im Herzen zu analysieren.

Jeder dritte Mensch weltweit stirbt an einer kardiovaskulären Krankheit. Was dabei in der einzelnen Zelle passiert, ist weitgehend unklar. Das wollen Bayer-Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlern vom renommierten Broad Institute des MIT und Harvard aufklären. Dieses Wissen könnte langfristig zu neuen Medikamenten führen.

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  • Herausforderung:
    Die moderne Medizin versucht, kardiovaskuläre Erkrankungen auf der Ebene der bisher wenig erforschten einzelnen Herzzelltypen zu verstehen.
  • Lösung:
    Forscher von Bayer und des renommierten Broad Institute in den USA untersuchen einzelne Herzzellen auf Ebene ihrer Genaktivität. Dadurch wollen sie molekulare Ursachen finden, die zu Fehlfunktionen des Herzens führen.
  • Nutzen:
    Mit einem tieferen Verständnis dafür, wie die einzelnen Herzzellentypen funktionieren und miteinander interagieren, können Pharmahersteller noch bessere Medikamente für ernsthafte Herz-Kreislauf-Erkrankungen entwickeln.
Forschungsallianz über den Atlantik hinweg: Dr. Patrick Ellinor (Foto 1) vom Broad-Institut und der Bayer-Forscher Dr. Christian Stegmann (Foto 2) leiten gemeinsam das Precision Cardiology Laboratory in Boston. Dr. Jörg Hüser (Foto 4) unterstützt die Kollaboration von Deutschland aus.
Dr. Christian Stegmann
Standort Boston
Dr. Jörg Hüser
Standort Deutschland

Ein menschlicher Körper besteht aus circa 37 Billionen Zellen und mindestens 200 verschiedenen Zelltypen. Haut-, Muskel-, Nervenzellen und viele weitere. Jede dieser Zellen spielt eine wichtige Rolle im Körper, nur wenn das System im Gleichgewicht ist, können sie unsere Gesundheit bewahren und unser Überleben sicherstellen. Wenige Zellen, die ihre Funktion nicht erfüllen, genügen, um große Probleme zu verursachen. Zum Beispiel bestimmte Zellen des Herzens, die den kontinuierlichen Schlag des Muskels initiieren und so den Blutstrom durch den Körper aufrechterhalten. Wenn diese sogenannten Schrittmacherzellen nicht richtig funktionieren, kann eine lebensbedrohliche Situation entstehen. Bisher sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen noch nicht auf Ebene der unterschiedlichen beteiligten Zelltypen verstanden – den Forschern haben die Werkzeuge dafür gefehlt. Aber: Eine neue Technologie macht genau das jetzt möglich. Mit dieser Methode wollen Bayer-Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlern vom US-amerikanischen Broad Institute des MIT und Harvard in Cambridge, Massachusetts, Herz-KreislaufErkrankungen besser verstehen.

„Unser Herz besteht aus vielen Zelltypen: Herzmuskelzellen, Bindegewebszellen, Immunzellen und den Zellen, die die Gefäße auskleiden“, sagt Dr. Christian Stegmann, Leiter des Precision Cardiology Labors, das Bayer gemeinsam mit dem Broad Institute in Boston betreibt. Diese grobe Unterteilung reicht nicht, um die Ursachen komplexer Herz-Kreislauf-Erkrankungen auf zellulärer Ebene zu verstehen. Deswegen wollen die Forscher mehr wissen: „Wir vermuten, dass es verschiedene Untertypen von Herzzellen gibt, deren Funktion oder Fehlfunktion wir mit einer Krankheit verknüpfen können.“

17,9

Rund 17,9 Millionen Menschen weltweit sterben jedes Jahr an Herz-Kreislauf-Erkankungen.
Quelle: WHO

Die Wissenschaftler konzentrieren sich im Moment auf zwei Gebiete: Herzschwäche und Vorhofflimmern. Bei einer Herzschwäche sprechen Experten auch von einer Insuffizienz. Dabei ist die Leistungsfähigkeit des Muskels reduziert – was das Organ kurzfristig kompensiert. Diese Kompensation belastet das Herz allerdings zusätzlich, sodass es schließlich zum Herzversagen kommt. Der zweite Forschungsschwerpunkt ist Vorhofflimmern – dabei kommt es zu einer unkoordinierten Erregung des Herzens. „Bei dieser Erkrankung gibt es Einzelzellen, die bewirken, dass der Herzmuskel-Schlag aus dem Takt gerät“, erklärt Dr. Jörg Hüser, Leiter der Forschung an Herz- und Lungenerkrankungen bei Bayer.

Wenn der Herzmuskel unkoordiniert schlägt, ist der Blutfluss weniger gleichmäßig, was das Thromboserisiko von Betroffenen erhöhen kann. Ein solches Blutklümpchen – oder auch Thrombus – kann Herzgefäße oder Gefäße im Gehirn verstopfen. Laut Angaben der WHO sterben circa 17,9 Millionen Menschen weltweit an den Folgen einer Herz-Kreislauf-Erkrankung – rund 80 Prozent davon an einem Herzinfarkt oder einem Schlaganfall. „Deswegen forschen wir im Precision Cardiology Labor auch außerhalb der Schwerpunkte Vorhofflimmern und Herzinsuffizienz, wir wollen zelluläre Mechanismen verstehen, die zu Herz-KreislaufErkrankungen führen“, betont Stegmann. Als ersten Schritt vergleichen die Forscher dafür die zellulären Eigenschaften gesunder Menschen und mit denen von Personen, die an Herzerkrankungen leiden.

Dafür nutzen die Wissenschaftler eine Technologie – genannt „EinzelzellTranscriptomics“, damit analysieren sie die Gesamtheit aller Transkripte, die in Tausenden einzelnen Zellen vorhanden sind. Die molekularen Arbeitskopien der Gene, sogenannte Transkripte, sind eine Zwischenstufe im Zellstoffwechsel. Wenn die Erbinformation DNA abgelesen wird, wird sie in ein Transkript übersetzt und basierend auf diesem Molekül bildet die Zelle ein Protein. Proteine sind die Moleküle, die in erster Linie die biochemische Zellfunktion ermöglichen. Die Transkripte einer Zelle enthalten wertvolle Informationen, aus denen die Forscher ableiten können, „welches Programm in der Zelle gerade abläuft und welche Gene aktiv sind“, erklärt Dr. Patrick Ellinor, Leiter des Precision Cardiology Lab auf der Seite des Broad Institute. Der Clou: Die Forscher um Ellinor und Stegmann analysieren in jeder einzelnen Zelle die Gesamtheit aller Transkripte, das sogenannte Transkriptom. Dadurch steigt die Komplexität der Analyse: „Pro Zelle sehen wir uns 1.000 bis 4.000 übersetzte Gene an und untersuchen in einem Experiment 40.000 bis 50.000 einzelne Zellen“, sagt Hüser.

Dabei profitieren die Bayer-Forscher von den Erfahrungen ihrer Kollegen vom Broad Institute. Ihr langfristiges Ziel fasst Stegmann zusammen: „Wir wollen besser verstehen, wie Krankheiten entstehen, indem wir die verantwortlichen Prozesse und Gene in der Zelle identifizieren. Dadurch wissen wir noch besser, wo wir eingreifen müssen – dieses Wissen wird uns bei der Entwicklung neuer Medikamente helfen.“

Das eigenständige Precision Cardiology Labor, das mit akademischen Forschern vom Broad Institute und Industrieforschern von Bayer besetzt ist, hat im Juli 2018 seine Arbeit begonnen. Dort arbeiten Molekularbiologen mit Medizinern und Bioinformatikern zusammen: „Unsere Wissenschaftler ergänzen sich sehr gut“, fasst Ellinor zusammen. Im Moment arbeiten bereits zehn Forscher vom Broad Institute mit fünf Wissenschaftlern von Bayer im Precision Cardiology Lab. „Zunächst wollen wir unsere Methode mit speziellen Zellen etablieren. Damit sind wir auf jeden Fall noch ein Jahr beschäftigt, die ersten Zwischenergebnisse sind aber schon vielversprechend“, sagt Hüser.

Die Kollaboration ist zunächst auf fünf Jahre ausgelegt: Dann wollen die Forscher die Grundlagen erarbeitet haben, damit zwei neue Substanzen so weit vorbereitet sind, dass sie optimiert und pharmazeutisch weiterentwickelt werden können. Stegmann: „Diese Art von Kooperationsmodell ist für uns etwas komplett neues, daher befinden wir uns in vielerlei Hinsicht im Pioniermodus.“ Dieser Pioniergeist ist in den Laborräumen überall spürbar, und trotzdem sind sich die Forscher bewusst, dass noch viel Arbeit vor ihnen liegt: Doch sie gehen systematisch vor, Schritt für Schritt. Immer auf der Suche nach bahnbrechenden neuen Erkenntnissen, die den Schritt in eine neue Ära hochspezifischer Herz-Kreislauf-Therapien bedeuten könnten.

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