Herzinsuffizienz: Wirkweise von beta-Rezeptoren aufgeklärt

Forschern am Imperial College London ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Würzburg gelungen, charakteristische Veränderungen auf erkrankten Herzmuskelzellen in bisher unerreichter Detailgenauigkeit sichtbar zu machen. Ihre Bilder zeigen, dass die normalerweise stark strukturierte Oberfläche von Herzmuskelzellen bei Herzschwäche abgeflacht wird und sich dadurch auch Abläufe im Inneren der Zelle verändern.

In der Studie, die am 26. Februar in der renommierten Fachzeitschrift Science erscheint, schildern die Wissenschaftler, wie sie zunächst mit einer winzigen Glaspipette Herzmuskelzellen abtasten. Daraus ergibt sich ein Bild der Zelloberfläche, auf der winzige Details im Nano-Bereich sichtbar werden. Deutlich zu erkennen sind regelmäßig angeordnete Mündungen von Röhrensystemen, den so genannten transversalen Tubuli, die ins Zellinnere hineinreichen. Man weiß schon lange, dass sich an der Oberfläche von Herzmuskelzellen mindestens zwei verschiedene Typen von Rezeptoren für das Stresshormon Adrenalin befinden. Beide bewirken einen schnelleren und kräftigeren Herzschlag. Doch während der eine (beta-2) das Herz schütz, scheint der andere (beta-1) das Organ sogar zu schädigen. Bisher war jedoch unbekannt, woher diese Unterschiede kommen, denn beide Rezeptoren haben die gleiche Wirkung: Sie regen die Produktion von cAMP in den Herzmuskelzellen an.

Mit ihren winzigen Pipetten gelang es den Wissenschaftlern nun, die Rezeptoren selektiv – sowohl an der Oberfläche als auch direkt in den Tubuli – zu stimulieren. Dadurch konnten sie genau untersuchen, wie cAMP im Anschluss gebildet wird. Es zeigte sich, dass beta-2 Rezeptoren ausschließlich in den Tubuli sitzen, beta-1-Rezeptoren hingegen über die ganze Zelloberfläche verteilt sind. Die Rezeptoren in den Tubuli erzeugten räumlich eng begrenzte cAMP-Signale, während sich nach Stimulation der Rezeptoren an der Zelloberfläche das cAMP in der ganzen Zelle ausbreitete. Zudem fanden die Forscher heraus, dass bei Herzversagen die Tubuli zunehmend verschwinden und die beta-2-Rezeptoren im Zuge dessen an die Oberfläche gelangen. „Im kranken Herzen erzeugen die beta-2-Rezeptoren statt „guter“, örtlich begrenzter Signale schädliche cAMP-Signale, die sich über die ganze Zelle verteilten. Sie arbeiten in diesem Fall genauso wie die beta-1-Rezeptoren“, erläutert Viacheslav Nikolaev, der den cAMP-Sensor in Würzburg entwickelte und anschließend die Experimente in London vornahm. „Wir wissen nun, wie beta-Rezeptoren gute und schlechte Signale erzeugen. Jetzt sind bessere Beta-Blocker oder auch ganz neue Medikamente denkbar, um Herzversagen zu behandeln.“

Für die Untersuchung kombinierten die Wissenschaftler ein hochempfindliches Abtastverfahren der Zelloberfläche, das am Imperial College von Julia Gorelik und Yuri Korchev erfunden wurde, mit einem mikroskopischen Nachweisverfahren für einen zentralen Botenstoff in Herzmuskelzellen, dem so genannten cyclischen AMP (cAMP). Diese Methode wurde von der Arbeitsgruppe um Martin Lohse am Rudolf-Virchow-Zentrum und dem Institut für Pharmakologie der Universität Würzburg entwickelt – dabei zeigt ein fluoreszierender Sensor in den Zellen die Menge des Botenstoffs cAMP an.

Publikation:
Redistribution of Beta-2 Adrenergic Receptors in Heart Failure Changes cAMP Compartmentation, Science, Friday 26 February 2010

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Kristina Kessler idw

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