Neue Adern sprießen unter Druck

Der Blutdruck ist treibende Kraft bei der Angiogenese. Das hat eine Arbeitsgruppe um Prof. Holger Gerhardt vom MDC jetzt in einer Arbeit in Nature Cell Biology erstmals gezeigt. Das Team machte sichtbar, wie der Druck des Blutes Einstülpungen in die Zellmembran von Gefäßzellen presst und wie daraus ein zusammenhängender Gefäßschlauch heranwächst. Die Zelle selbst dirigiert den Prozess mit Hilfe der Actomyosinfasern ihres Zellskeletts – stört man diese Fasern bei der Arbeit, gerät er außer Kontrolle. Wie genau sich Blutkapillaren neu bilden, war bisher nicht bekannt.

Prof. Holger Gerhardts Team untersucht die vielen Aspekte der Angiogenese, also die Neubildung von Blutgefäßen aus bereits vorhandenen Blutgefäßen. Erst 2014 ist er mit einem seiner Labore von London in die deutsche Hauptstadt gezogen und ist am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) Forschungsgruppenleiter, dem Berliner Institut für Gesundheitsforschung (BIH ) und dem Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK ). Am Flämischen Institut für Biotechnologie (VIB) in Leuven unterhält er nach wie vor ein weiteres Labor.

The retina of a mouse under the microscope: new capillaries are forming at the periphery (top). Picture: Véronique Gebala

Das System von Venen und Arterien im Körper ist sehr komplex. Auf der kleinsten Ebene des weit verzweigten Schlauchsystems befinden sich feinste Kapillaren, deren Wand durch nur eine einzige Endothelzelle gebildet wird. Sie wachsen, wenn bei der Embryonalentwicklung, der Wundheilung oder dem Wachstum von Krebsgeschwüren neue Gewebeabschnitte durchblutet werden sollen.

Wenn sich eine Kapillarschleife bildet, sprießen zunächst neue Zellen aus der Wand einer vorhandenen Kapillare in die Umgebung, wie Gerhardt erklärt: „Diese Gefäßsprosse sind zunächst nur eine Reihe von Endothelzellen ohne Lumen“ – also ohne inneren Hohlraum, durch den später das Blut fließen soll. Wie sich das Lumen bildet, sei bislang im Detail nicht klar gewesen, so Gerhardt weiter. Zur Veranschaulichung zeigt seine Doktorandin Véronique Gebala Bewegtbilder aus der Publikation einer anderen Arbeitsgruppe: „Die zeitliche Auflösung ist zu schlecht. Man kann zwar Hohlräume erkennen, aber nicht, wie sie entstanden sind“.

In einer neuen Arbeit, die Gebala und Gerhardt zusammen mit ihren Kollegen in Nature Cell Biology veröffentlichten, zeichnet das Team die Lumenisierung erstmals detailliert nach. Dafür verwendeten die Forscher ein modernes Spinning-Disk-Konfokalmikroskop, das hohe räumliche und zeitliche Auflösung ermöglicht. Sie untersuchten damit Embryonen von Zebrafischen, indem sie die Membranen der Endothelzellen genetisch mit einem fluoreszierenden Protein markierten. Véronique Gebala verfolgte wenige Stunden nach der Befruchtung des Eis, wie sich im Embryo neue Kapillaren bilden: Das Blut presst sich in die Gefäßzelle, die Membran der neuen Innenseite des Gefäßschlauchs wächst dabei mit. Das ist ein völlig neues Konzept der Angiogenese, das bisher noch niemand beschrieben hat. Auch in Netzhaut-Präparaten von Mäusen beobachtete sie Zwischenstufen des Vorgangs, er ist also nicht auf Fische beschränkt.

Nur wenn der externe Flüssigkeitsdruck hoch genug ist, überwindet er die Barriere des zellulären Proteinskeletts und bildet eine Membran-Einstülpung, die sich immer weiter durch die Zelle ausbreitet. Der neue Gefäßraum verändert immer wieder seine Gestalt, fällt zuweilen sogar wieder zusammen. Senkt man den Blutdruck mit Medikamenten oder schneidet man das zuführende Blutgefäß mit einem feinen Laserstrahl ab, kommt die Gefäßbildung komplett zum Erliegen. Der Flüssigkeitsdruck ist also tatsächlich die treibende Kraft hinter der Lumenisierung.

Sowie sich die Einstülpung durch den Zellkörper ausbreitet, lenkt die Zelle den Flüssigkeitsstrom aktiv. Kleinere Bläschen und Seitenäste drängt sie zurück, indem sie Proteinfasern aus Actin zu Seitenästen des neuen Hohlraums schickt und sie mit Hilfe von Myosinfasern wieder zusammenzieht, wie ein zellulärer Muskel. So wächst die neue Kapillare immer nur an der Spitze weiter. Das war die zweite bedeutende Erkenntnis, wie Holger Gerhardt erklärt: „Zu Beginn glaubten wir, dass sich Einstülpungen in den Hohlraum hinein bilden. Dabei ist die Topologie genau umgekehrt, das hat noch niemand vor uns gesehen.“ Um zu prüfen, ob wirklich Actomyosinfasern das Lumen formen, schalteten die Forscher das Myosinmolekül in den Zellen genetisch ab. Die Folge: die Einstülpungen wurden nicht mehr zurückgezogen. Unkontrolliert wabernde Hohlräume waren die Folge.

Diese Veränderlichkeit des Lumens ist relevant für verschiedene Krankheiten, so Gerhardt: „Wenn die Gefäßbildung so stark von der Hydrodynamik des Blutes abhängt, was bedeutet das für physiologische Blutdrucksituationen?“ Von instabilen Gefäßen sei bekannt, dass sie rasch wieder abgebaut werden, so Gerhardt. Einen ständigen Umbau der Blutgefäße im Körper gebe es nicht, aber vielleicht sei das bei bestimmten Krankheiten der Fall. Bei Diabetikern würden zum Beispiel die Gefäße der Netzhaut im Auge abgebaut, die natürlicherweise von starken Blutdruckschwankungen betroffen sind, erläutert Gerhardt. Diabetes ist eine der häufigsten Ursachen für den Verlust der Sehfähigkeit bei Erwachsenen.

Auch in der Krebsforschung hat die Angiogenese eine große Bedeutung. Wachsende Tumore lassen Blutgefäße sprießen, um ihren großen Hunger nach Energie und Sauerstoff zu stillen. „Gefäße in Tumoren sind nicht normal. Sie sind undicht und können den Gefäßdurchmesser häufig nicht kontrollieren“, sagt Véronique Gebala. Inwieweit der neu entdeckte Mechanismus der Gefäßbildung dafür mitverantwortlich ist, gilt es nun herauszufinden. Das Projekt ist also noch längst nicht am Ende. „Der nächste logische Schritt ist die Untersuchung pathologischer Situationen“, sagt die Doktorandin.

Hier profitiert die Arbeitsgruppe von ihrer Zugehörigkeit zum BIH. Das neue Institut erleichtert den Austausch zwischen Grundlagenwissenschaft und klinischer Forschung am Patienten. Holger Gerhardt spürt hier großes Potenzial, was ihn letztlich auch an den Standort Berlin gezogen hat. Seine Beteiligung an mehreren Projekten zahlt sich für das Labor aus: das schnelle Konfokalmikroskop konnte er mit Geldern vom DZHK ans Forschungsinstitut holen. Nicht zuletzt profitiert auch die wissenschaftliche Kreativität davon, dass Gerhardt Forschung an mehreren Standorten und in verschiedenen Themenbereichen leitet: „So integrieren sich die Ideenpools aus verschiedenen Arbeitsumgebungen, und das funktioniert hervorragend. Das ist natürlich sehr anstrengend, aber auch lohnenswert.“

Highlight Reference:

Véronique Gebala1,3, Russell Collins1,3, Ilse Geudens2, Li-Kun Phng2,4, Holger Gerhardt1,2,3,5,6 (2016): Blood flow drives lumen formation by inverse membrane blebbing during angiogenesis in vivo.“ Nature Cell Biologydoi:10.1038/ncb3320

1 Vascular Biology Laboratory, Cancer Research UK London Research Institute, London, Vereinigtes Königreich; 2 Vascular Patterning Laboratory, Vesalius Research Center, VIB, Department of Oncology, Katholische Universität Leuven, Belgien; 3 Derzeitige Adresse: Integrative Vaskuläre Biologie, Max-Delbrück Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC), Berlin; 4 Derzeitige Adresse: Abteilung für Zellbiologie, National Cerebral and Cardiovascular Center Research Institute, Osaka, Japan; 5 Deutsches Zentrum für Herz-Kreislaufforschung (DZHK), Standort Berlin; 6 Berliner Institut für Gesundheitsforschung (BIH), Berlin

Li-Kun Phng und Holger Gerhardt haben gleichermaßen zur Arbeit beigetragen.

Holger Gerhardt ist Forschungsgruppenleiter am MDC und hat eine BIH-Professur für Experimentelle Herz-Kreislaufforschung an der Charité – Universitätsmedizin Berlin, sowie eine DZHK-Professur.

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