Post Stress Treatment bei Verbrennungen

Große Hitze hat verheerende Auswirkungen auf lebende Zellen. Bei Brandverletzungen erfolgt in den Regionen mit den höchsten Temperaturen sofortige Lyse. Zellen in der darunter liegenden Schicht können überleben, sind aber durch die Hitze stark beeinträchtigt. Dazu kommt, dass sich das umliegende Gewebe durch verminderte Durchblutung und Ödembildung stark verändert. Zusammen mit Infektionen können diese Bedingungen das Überleben der Zellen dramatisch verschlechtern und schließlich zu einer kompletten Nekrose in dieser Gewebszone führen. Dieses Phänomen ist als Burn Wound Progression (Nachbrennen) bekannt und stellt eine erhebliche Komplikation bei der Behandlung dar. Zusätzlich leiden Patienten mit tiefen Verbrennungswunden auch langfristig an einer deutlichen Verschlechterung der Lebensqualität. Ebenso wichtig wie die Reaktion des Gewebes ist auch eine Betrachtung der Schäden auf zellulärer Ebene. Das wichtigste Resultat der Hitzeexposition sind denaturierte Proteine, die die zellulären Signal- und Synthesewege blockieren und daher eine hohe Belastung darstellen. Wenn sie nicht eliminiert werden, reduzieren sie die Überlebensrate der Zellen dramatisch, ganz besonders während den nachfolgenden Bedingungen der Burn Wound Progression. Die Entfernung denaturierter Proteine erfolgt durch den Heat Shock Response, der von Bakterien bis zum Menschen konserviert ist. Wir haben diesen zellulären Signalweg untersucht und festgestellt, dass er nach kurzer Hitze-Exposition nur langsam aktiviert wird. Als Hypothese haben wir daher eine spezielle Behandlung entwickelt die wir "Post Stress Treatment" (PST) nennen. Die Idee dieser Methode ist, den verzögerten Heat Shock Response durch eine Behandlung mit geringem Stress nach der Verbrennung zu aktivieren. Obwohl dieses PST bei den Vorversuchen den Gesamtstress für die Zellen deutlich verstärkt hat, konnten wir dennoch eine klare Verbesserung beim Überleben von Fischembryonen nach kurzer Hitze-Exposition zeigen. In diesem Projekt werden wir die Regulation des Heat Shock Signalwegs nach Verbrennungen systematisch untersuchen. Diese Experimente werden in Zellkulturzellen und in Fischembryonen durchgeführt, die sich besonders für eine genetische Analyse des Signalwegs eignen. Als Resultat werden wir wichtige Marker des Signalwegs für die nachfolgenden Experimente erhalten. Hauptziel des Projekts ist eine Optimierung des PST für die Behandlung von Verbrennungen. Kandidaten dafür sind pharmakologische Modulatoren des Heat Shock Response, die den Signalweg ohne zusätzlichen Stress aktivieren können.

Verbrennungen haben sehr unterschiedliche Effekte auf das Gewebe. Hohe Temperaturen führen zu sofortigem Zelltod, während Zellen in der sogenannten "Zone of Stasis" überleben können. Sie sind stark beeinträchtigt durch die Hitze, sowie der verminderten Durchblutung und Ödembildung in der Wundregion. Zusammen mit Infektionen können diese Bedingungen das Überleben der Zellen dramatisch verschlechtern und schließlich zu einer kompletten Nekrose in dieser Gewebszone führen. Dieses Phänomen ist als Burn Wound Progression (Nachbrennen) bekannt und stellt eine erhebliche Komplikation bei der Behandlung dar. Da tiefe Verbrennungswunden auch langfristig zu einer deutlichen Verschlechterung der Lebensqualität der Patienten führen stellt jede Behandlung, die ein verbessertes Überleben der Zellen ermöglicht eine große Verbesserung für die Patienten dar.In diesem Projekt haben wir uns auf die Effekte konzentriert, die die Hitze direkt in den Zellen erzeugt. Der Heat Shock Response (HSR) stellt die erste Abwehrlinie der Zellen dar. Dieser zelluläre Pathway aktiviert Heat Shock Proteine die denaturierte Proteine in den Zellen eliminieren. Um die Bedingungen in Verbrennungswunden zu simulieren haben wir ein Zellkulturmodell mit humanen Fibroblasten etabliert, die für kurze Zeit Hitze-behandelt werden. Leicht erhöhte Temperaturen lösten dabei sofort den HSR aus, während noch höhere Temperaturen die Zellen eine Zeit lähmten und so zu einer verzögerten Reaktion führten. Wir haben die Hypothese getestet, dass Wirkstoffe diese Lähmung durchbrechen können, indem sie direkt den HSR aktivieren. Mehrere Wirkstoffe sind in der Literatur als HSR-Inducer beschrieben, allerdings müssen sie für unsere Anwendung den HSR pharmakologisch aktivieren und dürfen nicht als Toxine zellulären Stress auslösen und so indirekt den HSR aktivieren. Leider konnten wir in diesem Projekt unter den Kandidaten keinen Wirkstoff identifizieren der rein pharmakologisch wirkt.Ein überraschendes Resultat unserer Experimente war, dass ein Teil der Lähmung der Zellen durch Seneszenz ausgelöst wird. Replikative Seneszenz als Resultat exzessiver Zellteilungen ist am besten bekannt, aber eine Reihe anderer Stressbedingungen haben den gleichen Effekt. In unserem Zellkulturmodell erzeugten hohe Temperaturen zelluläre Seneszenz. Das Resultat war ein Proliferationsblock der Zellen und die Initiation des sogenannten SASP (Senescence Associated Secretory Phenotype), bei dem Zytokine und andere Signalmoleküle sekretiert werden und so Immunzellen anlocken. Zelluläre Seneszenz könnte daher zum hohen Zytokin Level (Zytokin-Sturm) beitragen, der ein großes Problem für Verbrennungswunden darstellt.