Forschung

Als Effektoren Phospholipase C-gekoppelter Signalwege vermitteln die eng verwandten Kationenkanäle TRPC4 und TRPC5 durch Depolarisation und Ca²⁺-Einstrom wichtige Körperfunktionen wie die M​odulation neuronaler Erregbarkeit, die Kontraktion glattmuskulärer Organe oder d​ie Sekretion von hormonalen oder parakrin wirkenden Botenstoffen. Für diese beiden Ionenkanäle stehen seit kurzer Zeit Licht-schaltbare Moleküle zur Verfügung, die eine zeitlich und räumlich exakt steuerbare Aktivierung dieser Ionenkanäle erlauben. Diese Moleküle werden charakterisiert und zur Aufklärung von Expressionsorten und biologischen Funktionen von TRPC4 und TRPC5 eingesetzt. So kann durch gezielte Aktivierung oder Hemmung von TRPC4 die Motorik des Dünndarmes, der Gebärmutter oder der Harnblase gesteuert werden. Neu identifizierte Expressionsorte von TRPC5 werden aktuell in endokrin aktiven Zellen untersucht.

Fors​chungsziele

Unsere Forschung konzentriert sich auf die pharmakologische und mechanistische Charakterisierung von Transient-Rezeptor-Potential-(TRP-)Ionenka​​nälen, mit besonderem Schwerpunkt auf TRPV2 und TRPV3 in​​ Immun- und Epithelzellen. Durch die Kombination von Wirkstoffscreenings, elektrophysiologischen Methoden, Ca2+-Assays, sowie funktionellen zellbasierten Assays untersuchen wir, wie TRPV2- und TRPV3-abhängige Signalwege zelluläre Antworten unter physiologischen und krankheitsrelevanten Bedingungen steuern. Ein zentrales Ziel ist die Entwicklung und Validierung selektiver niedermolekularer Modulatoren, die die Untersuchung der TRP-Kanalfunktion i​n nativen zellulären Systemen ermöglichen. Die bislang begrenzte Verfügbarkeit potenter und selektiver Modulatoren für TRPV2 und TRPV3 hat den Fortschritt in diesem Forschungsfeld lange eingeschränkt. Aktuelle Arbeiten unserer Gruppe tragen dazu bei, diese Lücke zu schließen, indem neue pharmakologische Werkzeuge etabliert werden, die genetische Ansätze ergänzen und eine akute Modulation der Ionenkanalaktivität erlauben.

​TRPV2 in I​​mmunzellen

TRPV2 ist stark in Zellen des angeborenen Immunsystems exprimiert, darunter Makrophagen und ​Mastzellen, und trägt dort zu zentralen Prozessen wie Phagozytose, Migration, Chemotaxis und Degranulation bei. Durch die Kombination pharmakologischer Modulation mit funktionellen Analysen in primären murinen und humanen Immunzellen trägt unsere Arbeit zur Etablierung des TRPV2-Kanals als wichtigen Regulator des Immunzellverhaltens bei.

Neue TRPV2-Inhibitoren und -Aktivatoren haben eine entscheidende Rolle von TRPV2 bei der Phagozytose und Migration von Makrophagen aufgezeigt. In Mastzellen fördert die Aktivierung von TRPV2 die Zellmigration und die Freisetzung von Mediatoren und unterstreicht damit die Bedeutung von TRPV2 als Modulator von Immunantworten jenseits klassischer rezeptorvermittelter Signalwege.

TRPV3 in epithelial​​er Physiologie und Krebs

Neben Immunzellen untersucht unsere Arbeitsgruppe die Funktion von TRPV3 in epithelialen Geweben, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Gastrointestinaltrakt und der Harnblase. TRPV3 ist bislang vor allem in der Haut intensiv erforscht worden, während die Funktionen in anderen Epithelien noch vergleichsweise wenig verstanden sind. Mithilfe neu identifizierter niedermolekularer Aktivatoren und Inhibitoren, die TRPV3 selektiv modulieren, zielt unsere Forschung darauf ab, TRPV3-abhängige Signalwege unter physiologischen und krankheitsrelevanten Bedingungen zu entschlüsseln.

Unter Verwendung des neuartigen niedermolekularen Aktivators AV3-1 konnten wir erstmals funktionelle Evidenz für TRPV3-Aktivität in verschiedenen Blasenkrebszelllinien liefern. Die pharmakologische Aktivierung von TRPV3 führt in diesen Zellen zu einem ausgeprägten Ca²⁺-Einstrom und zur Freisetzung von ATP, einem zentralen Signalmolekül im Tumormikromilieu. Diese Befunde weisen auf TRPV3 als potenzielles pharmakologisches Ziel und explorativen Biomarker beim Urothelkarzinom hin.

Molekulare Pharmakologie mit A​​ngriff an endokrinen Regelachsen

Die zunehmende Verbreitung von Adipositas und Typ-2-Diabetes (T2D) verdeutlicht den dringenden Bedarf, die molekularen Anpassungsmechanismen pankreatischer Inselzellen unter chronischem metabolischem Stress besser zu verstehen. Unsere Forschung untersucht die kompensatorischen Signalwege in Inselzellen während der Adipositas, mit dem langfristigen Ziel, inkretinbasierte Therapien gezielt zu optimieren und weiterzuentwickeln.

Im Zentrum unserer Arbeit steht das funktionelle Zusammenspiel von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) und transienten Rezeptorpotential Kanälen (TRP). Diese beiden Signalknotenpunkte integrieren hormonelle, metabolische und neuronale Reize und steuern über die Regulation intrazellulärer Kalziumsignale die Hormonsekretion und Inselzellplastizität. Bei erhöhter metabolischer Belastung erfordert die Aufrechterhaltung der Glukosehomöostase eine adaptive Neuausrichtung dieser Signalwege. Eine Störung dieser kompensatorischen Mechanismen trägt wesentlich zur β-Zell-Dysfunktion und zur Progression von T2D bei.

Ein besonderer Fokus liegt auf der Frage, wie inkretinvermittelte GPCR-Signale alternative intrazelluläre Signalwege jenseits der klassischen cAMP-Aktivierung nutzen, zum Beispiel Gα_q-abhängige Kaskaden, Proteinkinase-Signale und TRP-kanalvermittelten Kalziumeinstrom. Diese Signalachsen sind entscheidend für die Verstärkung der Insulinsekretion unter adip​ösen Bedingungen und liefern eine mechanistische Grundlage für die erhöhte Wirksamkeit moderner Multi-Agonisten. Das Verständnis der GPCR–TRP-Signalintegration in der Adipositas eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Modifikation inkretinbasierter Therapien.

Unsere translationalen Ansätze übertragen diese Erkenntnisse auf humane pankreatische Inseln sowie aus Stammzellen abgeleitete humane β-Zellen, um krankheitsrelevante Anpassungsprozesse direkt zu analysieren. Zukünftig verfolgen wir die Entwicklung niedermolekularer Modulatoren, die gezielt GPCR–TRP-Signalachsen beeinflussen, um adaptive Kompensationsmechanismen zu stärken, die Inselzellfunktion zu erhalten und die metabolische Kontrolle bei T2D nachhaltig zu verbessern.

Z​​elluläre Signalprozesse visualisieren​

Eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung ist der Schlüssel zum Verständnis zellulärer Signalprozesse. Die Arbeitsweise von Ionenkanälen oder Rezeptoren kann mit Methoden hoher zeitlicher Auflösung wie der Ele​ktrophysiologie oder der Fluoreszenzmikroskopie in lebenden Zellen analysiert. Durch "total internal reflection fluorescence" (TIRF)-Mikroskopie kann eine Eindringtiefe der Fluoreszenzanregung auf ca. 100 nm beschränkt und damit eine selektive Darstellung der Plasmamembran und des direkt an der Plasmamembran angrenzenden Raumes erreicht werden. Um eine Artefakt-freie Ausleuchtung mit schnellem Wechsel der Anregungswellenlängen oder zur Epifluoreszenz zu erzielen, entwickelten wir einen Strahlengang, der auf Hochleistungs-LED beruht und damit keine besondere Sicherheitsvorkehrungen erfordert. Im oberen Bildteil ist der schematische Strahlengang gezeigt, der untere Bildteil zeigt eine Anwendung zur simultanen Bildgebung von TRPC7-YFP in TIRF (roter Farbkanal), in Epifluoreszenz (grüner Farbkanal) und einer Gegenfärbung der Zellkerne (blauer Farbkanal) in lebenden HEK293-Zellen.

Mit der TIRF-Mikroskopie können Signalprozesse, die an der Plasmamembran der Zelle geschehen, mit besonders hoher Genauigkeit beobachtet und charakterisiert werden. Bei hoher Bildaufzeichnungsfrequenz von 200-5.000 Bildern pro S​ekunde werden die Öffnungsereignisse einzelner Ionenkanäle, die Bewegung von Transmembranproteinen oder die Exozytose Hormon- oder Neurotransmitter-haltiger Vesikel erkennbar. So können zum Beispiel Ca2+-Mikrodomänen lokalisierte Antworten auslösen, die wesentlich höhere Ca2+-Konzentrationen erfordern, als sie in der Gesamtzelle erreichbar wären. Hier gezeigt ist die Ca2+-Mikrodomäne um einen oder wenige Spannungs-gesteuerte Ca2+-Kanäle in einer INS-1-Zelle.

​Ein weiteres Arbeitsgebiet  befasst sich mit den Gating-Prozessen von TRPC-Kanälen. Durch neuartige Liganden, die mit photoschaltbaren Gruppen modifiziert wurden (Zusammenarbeit mit A​G Thorn-Sehold, TU Dresden) können wir eine Kontrolle der TRPC4- oder TRPC5-Kanalaktivität durch sehr kurze Lichtpulse von 0,2-10 ms Dauer erreichen und hiermit die Öffnungs-und Schließkinetiken dieser "second messenger"-regulierten Kanäle erstmals direkt erfassen und finden dabei deutliche Unterschiede zwischen den beiden Kanälen.

ATP-sensitive P2X7-Rezeptoren sind an der Pathogenese psychiatrischer/ neurologischer Erkrankungen beteiligt

Rudolf-Boehm-Institut für Pharmakologie und Toxikologie, Leipzig, Deutschland und Internationales Forschungszentrum für Purinerge Signalübertragung der Universität für Traditionelle Chinesische Medizin, Chengdu, China​​​​

ATP ist einerseits ein intrazelluläres, energiespeicherndes Molekül, aber andererseits kann es in den Extra​​​zellulärraum gelangen, wo es an in der Zellmembran lokalisierten P2-Rezeptoren (P2R) bindet und dadurch als Signalmolekül in Erscheinung tritt. P2R werden zwei Subtypen zugeordnet: P2XR sind ATP-stimulierte Ionenkanäle, während P2YR an G-Proteine gekoppelt sind. Der P2X7R ist der wichtigste Subtyp seiner Klasse, da er in fast allen Körperzellen vorkommt (allerdings vorzugsweise in Immunzellen) und nach seiner Aktivierung transmembranäre Kationenströme initiiert. Die Depression ist eine psychiatrische Erkrankung, die durch das Zusammenwirken von genetischen, entwicklungsbiologischen und Umwelt-Faktoren bedingt ist. Sie weist als Symptome extreme Traurigkeit, depressive Stimmungslage und Verlust an jeglichem Interesse auf; einzelne Phasen dauern mindestens 2 Wochen und schränken die Funktionsfähigkeit der Patienten im sozialen- und Beschäftigungs-Bereich gravierend ein. Gängige Tiermodelle der Depression beruhen auf der Einwirkung von akutem oder chronischem Stress. Wir konnten bei beiden Arten von Tiermodellen zeigen, dass ATP-sensitive P2X7-Rezeptoren an der Pathogenese des Depressions-ähnlichem Verhalten der Mäuse und Ratten ursächlich beteiligt sind. Für diesen Zweck verwendeten wir elektrophysiologische (Patch-Clamp), immunhistochemische (Laserscanning- und Zweiphotonen-Mikroskopie), molekularbiologische und verhaltenspharmakologische Methoden, und arbeiteten an Zellkulturen, Gehirnschnitten und am Ganztier. Hirnschnitte wurden aus zwei an der Steuerung von Verhaltensweisen beteiligten Gebieten des Gehirns, dem Hippocampus und dem präfrontalen Kortex, angefertigt. Knockout/Knockdown-Verfahren und transgene Mäuse wurden für unsere Fragestellungen verwendet. In früheren Arbeiten widmeten wir uns der Rolle von P2X7R in der Analgesie. Derzeit gilt unser besonderes Interesse der Epilepsie-bedingten „Major Depression“, die durch die massive Freisetzung von ATP aus geschädigten Gehirnzellen und dessen Interaktion mit astrozytären P2X7R begleitet wird. Alle Ergebnisse haben potentielle klinische Bedeutung, da Blut-Hirn-Schranken-gängige P2X7R-Antagonisten bei verschiedenen psychiatrischen/neurologischen Krankheiten als primäre oder adjuvante Therapie verwendet werden könnten. An der Entwicklung solcher Medikamente besteht großes Interesse auch vonseiten der pharmazeutischen Industrie.

Drei relevante Publikationen:

Zhao, Y.F, Ren, W.J., Zhang, Y., He, J.R., Ying, H.Y., Liao, Y., Rubini, P., Deussing, J.M., Verkhratsky, A., Yuan, Z.Q., Illes, P., Tang, Y.: High, in contrast to low levels of acute stress induce depressive-like behavior by involving astrocytic, in addition to microglial P2X7 receptors in the rodent hippocampus. Int. J. Mol. Sci. 23(3):1904, 2022.

Sun, M.-J., Ren, W.-J., Zhao, Y.-F., Li, X., Yin, H.Y., Verkhratsky, A., Engel, T., Rubini, P., Tang, Y., Illes, P.: Hippocampal P2X7 and A2A purinoceptors mediate cognitive impairment caused by long-lasting epileptic seizures. Theranostics, 15:3159-3184, 2025.

Ren, X.-Y., Rubini, P., Engel, T., Tang, Y., Illes, P.: Purinergic modulation of major depressive disorder: experimental findings, pathogenesis, and therapeutic implications. Pharmacol. Res. 221:107989, 2025.

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