Der Einfluss von Kreislaufparametern auf die Angiogenese

Das Herzkreislaufsystem ist das System, welches während der Wirbeltierentwicklung als erstes funktioniert. Herz-, Blutgefäß-, und Blutzellentwicklung sind frühe Vorgänge, welche bekanntermaßen sowohl von genetischen als auch von Umweltfaktoren beeinflußt werden. Der Zebrafisch ist ein bereits anerkanntes Wirbeltiermodell, nicht zuletzt wegen der Transparenz der Larven und Embryonen, welche einen ungehinderten Einblick in physiologische Vorgänge im gesamten Tier zulässt. Neue, nicht invasive Methoden erlauben die Erfassung zahlreicher Parameter, wie Herzfrequenz, Herzzeitvolumen, Blutzelldichte, sowie die Visualisierung des gesamten Gefäßbettes inklusive der Blutverteilung in diesen kleinen Tieren (3-4mm). Die genetische Kontrolle der Angiogenese und Erythropoese sind zur Zeit im Fokus der Forschung und sind in vielen Tierarten bereits gut verstanden, aber neben der genetischen Kontrolle stehen Entwicklungvorgänge auch unter dem Einfluss physikalischer Zusammenspiele. Ein Ziel dieses Projektes ist es Einblick in die physiologischen Mechanismen, die Erythropoese und Angiogenese im Zebrafisch vorantreiben, zu geben. Dazu wird sowohl die Bedeutung von Hypoxie auf die Erythropoese und Angiogenese, als auch der Einfluss der Blutzelldichte auf die Angiogenese während der frühen Entwicklung (von 3 bis 21 Tagen nach Befruchtung) untersucht. Ein weiteres Ziel ist es, die Hypothese, dass der Blutdruck eine treibende Kraft für angiogenetische Prozesse ist, zu prüfen. Der Effekt von Hypoxie auf die Erythropoese und Angiogenese wird untersucht, indem die Tiere unter Sauerstoffmangelbedingungen aufgezogen werden. Mit digitaler Bildanalyse wird das Gefäßbett der experimentellen Gruppe mit dem der Kontrollgruppe korreliert. Die Blutzelldichte errechnen wir aus der Zahl der detektierten Blutzellen dividiert durch das Volumen in einem Gefäßsegment innerhalb der Dorsalvene und -arterie. Digitale Bewegungsanalyse ermöglicht uns die Blutverteilung im gesamten Tier zu messen. Durch den Vergleich von Zebrafischen mit einer von Wildtypen unterschiedlichen Blutzelldichten (Mutanten, mikro chirurgisch oder pharmakologisch erzeugte) mit Wildtypen wird eine Aussage über den Einfluss des Hematokrits auf die frühe Gefäßbildung möglich sein. Um die Notwendigkeit des Blutdrucks auf die Gefäßbildung zu untersuchen werden Zebrafische mit chronisch gesenktem Herzzeitvolumen und Blutdruck (Mutanten breakdance und slow motion) aufgezogen und mit Wildyp Tieren auf Unterschiede in der Gefäßbildung untersucht.

Der Zebrafisch hat sich zu einem erfolgreichen und weit verbreiteten Modellorganismus in der Genetik und Entwicklungsbiologie entwickelt. Das große molekularbiologische Interesse an diesem für derartige Studien gut geeigneten Tier hat zu einer enormen Anzahl von Publikationen auf diesem Gebiet geführt. Während andere Modelltiere, wie z.B. Maus, Ratte und Frosch physiologisch schon sehr gut charakterisiert sind überwiegen beim Zebrafisch die molekularbiologischen Studien. Grund dafür ist die geringe Größe dieses Tiers, welche nur wenige Millimeter beträgt und konventionellen Messverfahren, z.B. Blutanalysen, den Zugriff verwehrt. Im Rahmen dieses Projektes wurden neue Verfahren entwickelt um solche Analysen durchzuführen. Es handelt sich dabei um mikroskopische Bildanalyse, die zahlreiche Messungen im Rahmen dieses Forschungsprojektes erst ermöglichten. Damit ist biomedizinische Grundlagenforschung im Feld von Herzkreislauf-, Blut- und Atmungserkrankungen erstmals ganzheitlich möglich. Die Entwicklung von Arzneimitteln und Therapien in diesem Bereich sind damit zukünftig auch am Zebrafisch realisierbar. Das internationale Interesse an diesen Methoden dokumentiert sich durch zahlreiche aktive Kooperationen mit anderen Forschungslabors auf diesem Feld. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass Zebrafisch Larven, die unter Sauerstoffmangel (ein globales Problem) aufgezogen wurden schon in sehr frühen Stadien (9 Tage nach Schlupf) eine hochflexible Anpassung der Blutzellkonzentration zeigten. Auch die Durchblutungs- und Herzfunktionsregulation, sowie die Atemregulation sind bereits sehr früh aktiv. Das Besondere daran ist, dass die Tiere wegen ihrer geringen Größe eigentlich noch gar keine dieser Regulationen bräuchte, weil Sauerstoff durch Diffusion in ausreichender Menge in das Tier gelangt. Im Weiteren sind wir der Frage nach dem Zweck dieser frühen Flexibilität nachgegangen. Mit geeigneten Experimenten haben wir Veränderungen in der Entwicklung der Tiere bei Fehlfunktionen des Herzens oder der Blutzusammensetzung (Anämie) untersucht. Es existiert ein deutlicher Zusammenhang zwischen Blutzellkonzentration und der mittleren Herzfrequenz. Offenbar ermöglicht die Flexibilität des Herzkreislaufsystems jungen Tieren in einem beachtlichen Umfang solche Krankheitsbilder zumindest teilweise auszugleichen. Nach unserer Erkenntnis ist dies durch ein komplexes Zusammenwirken der Genexpression und so genannter epigenetischer Faktoren möglich. Als epigenetische Faktoren bezeichnet man solche, die Einfluss auf die Entwicklung haben, jedoch nicht nur durch die Gene vorgegeben werden. Die molekularen Grundlagen einer veränderten Genexpression und Proteinbildung (untersucht wurden Gene und Proteine, die für Blutgefäße und die Blutbildung verantwortlich sind) ließen sich gut charakterisieren und quantifizieren. Die Beurteilung des epigenetischen Einflusses gestaltete sich schwer, weil die komplexe Interaktion von Herzfunktion, Blutparametern und der Genexpression eine Unterscheidung zwischen direktem und indirektem Einfluss nicht problemlos zuliessen. Auffällig war, dass vorübergehende Entwicklungsstörungen sehr gut durch die Flexibilität des Systems aufgefangen wurden, so dass Fehlfunktionen des Herz-Kreislaufsystems offenbar keine bleibenden Defekte im Gefäßbett hinterließen.