Die Aufgabenstellung für diesen Forschungsschwerpunkt war die Suche nach Medikamenten, welche neben ihrem eigentlichen Anwendungsgebiet auch für eine Therapie der viralen Myokarditis geeignet sein könnten. Das Schlüsselmolekül bei der Infektion der Kardiomyozyten durch die kardiotropen Coxsackie- und Adenoviren ist der Coxsackie-Adenovirus-Rezeptor (CAR), welcher den Viren als Bindungspartner auf der Zelloberfläche dient. Ziel war es somit, Medikamente zu finden, welche eine verminderte Verfügbarkeit des CAR verursachen und dadurch das Ausmaß der akuten Infektion reduzieren.

An Zellkulturen konnte gezeigt werden, dass Lovastatin, welches primär zur Behandlung von Fettstoffwechselstörungen verwendet wird, auch eine Verringerung der Anzahl des Coxsackie-Adenovirus-Rezeptors (CAR) auf der Zelloberfläche bewirkt. Der gleiche Effekt konnte auch für Simvastatin und Atorvastatin nachgewiesen werden. In Viruszellkultur-Versuchen konnte gezeigt werden, dass daraus tatsächlich eine verminderte Infizierbarkeit von Endothelzellen mit dem kardiotropen Coxsackievirus B3 resultiert. Außerdem wurde aufgeklärt, dass die zugrunde liegende Regulation durch die Statine über die geranylgeranylierten Rho-GTPasen Rac1 und Cdc42 erfolgt.
Neben der Suche nach neuen Therapiemöglichkeiten sollte die Rolle des CAR unter entzündlichen Bedingungen wie z. B. während der Myokarditis näher untersucht werden. Um inflammatorische Bedingungen in vitro zu simulieren, wurden Enzyme verwendet, welche bei Entzündungen vom Immunsystem vermehrt gebildet werden. Es zeigte sich, dass zwei der so genannten Kollagenasen einen Teil des Coxsackie-Adenovirus-Rezeptors abspalten („shedden“). Wir interpretieren dieses als eine endogene „Schutzfunktion“ des Organismus, durch welche die Bindung der Viren an ihre Wirtszellen und damit die Ausbreitung der Virusinfektion eingeschränkt wird.

Als Ursachen diabetischer Folgeerkrankungen spielen Adhäsionsmoleküle bekannter Maßen eine wichtige Rolle. Da auch CAR zu den Adhäsionsmolekülen gehört, sollte untersucht werden, ob die Expression von CAR durch die Simulation diabetischer Bedingungen beeinflusst wird. Durch unsere Arbeiten konnte im Zellkultur-Modell nachgewiesen werden, dass die CAR-Genexpression tatsächlich durch hohe Glukosekonzentrationen verändert wird. Im frühen Behandlungszeitraum wird CAR durch osmotische und daraus resultierende oxidative Effekte reguliert. Dies wird über eine längere Zellkulturdauer dann schließlich durch eine gegenläufige Regulation kompensiert, was mit großer Wahrscheinlichkeit einer „regenerativen“ Funktion von CAR zuzuschreiben ist.
Darüber wird in Kooperation mit Prof. Dr. Überla (Virologie der Ruhr-Universität Bochum) eine mögliche globale, antivirale Wirkung der Statine auf die kardiotropen Viren zu untersuchen. Hierbei wird überprüft, ob die Statine neben der speziellen Wirkung auf CAR generell die Virusaufnahme bzw. Virusreplikation beeinflussen.

Grafische Zusammenfassung zur Regulation des Coxsackie- und Adenovirusrezeptors durch extrazelluläre Mechanismen (Abspaltung durch MMPs) und intrazelluläre Arzneimittelwirkung (genetische Herunterregulierung durch Statine).

Außerdem soll in Viruszellkultur-Versuchen nachgewiesen werden, dass das bereits in vitro gezeigte Shedding von CAR eine biologische Schutzfunktion im Sinne einer verringerten Virusausbreitung darstellt. Und schließlich soll auch untersucht werden, ob CAR direkt oder indirekt an der Ausbildung der endothelialen Dysfunktion bedingt durch eine Hyperglykämie beteiligt sein könnte.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts konnte ebenfalls erstmals in humanen primären Endothelzellen und epithelialen Zelllinien gezeigt werden, dass Bosentan und Valsartan, zwei gut untersuchte Antihypertensiva, die CAR-Expression signifikant herunter regulieren. Darüber hinaus konnte in Viruszellkulturversuchen nachgewiesen werden, dass die Substanz-abhängige Reduktion der Virusrezeptordichte auf Endothelzellen mit einer verminderten Infizierbarkeit durch den kardiotropen Coxsackievirus B3 (CVB3) einhergeht. Um die regulativen Mechanismen der Substanz-induzierten CAR-Reduktion näher zu untersuchen, wurde in Endothelzellen ein Knockdown der Proteinbindungspartner von Bosentan bzw. Valsartan durchgeführt. Es handelt sich hierbei um den Angiotensin-2 Typ 1 Rezeptor (AT1R) und die Endothelin-1 Typ A und B Rezeptoren (ETA/ETBR). Die Rezeptor-reduzierten Zellen wurden nachfolgend jeweils mit selektiven bzw. gemischten Effektoren des AT1R respektive ETA/ETBR behandelt. Auf diesem Weg konnte gezeigt werden, dass die CAR-Genexpression sowohl durch agonistische als auch antagonistische Bindung des ETBR -aber nicht des ETAR- reguliert wird. Zudem scheint der genregulatorische Einfluss, den Valsartan auf CAR ausübt, AT1R-unabhänig zu erfolgen.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden 2010 im Journal of General Virology publiziert. Eine modellhafte Darstellung der in dieser Studie durchgeführten Versuche und daraus gewonnenen Erkenntnisse über Signalwege der CAR-Genregulation in humanen Endothelzellen liefert die zusammenfassende Abbildung. Mit Untersuchungen zum „ectodomain shedding“ des CAR konnte durch Spaltversuche an rekombinant hergestelltem CAR mit verschiedenen Proteasen erstmals gezeigt werden, dass die humane Neutrophile Elastase (hELA2) den Virusrezeptor in wenigstens zwei lösliche Fragmente spaltet. Wie bereits die parallelen Versuchsreihen mit Kollagenasen gezeigt haben (s. o.) ist anzunehmen, dass die proteolytische Prozessierung von CAR eine bisher nicht beschriebene Reaktion des Immunsystems auf die virale Infektionen mit kardiotropen Erregern ist und eine wichtige Rolle für den Verlauf infektiöser Myokarditiden spielen könnte.

Schematische Darstellung zu den antiviralen Effekten von Bosentan und Valsartan, die durch die Regulation des CAR-Gens zustande kommen. (Funke C, Farr M, Werner B, Dittmann S, Uberla K, Piper C, Niehaus K, Horstkotte D. Antiviral effect of Bosentan and Valsartan during coxsackievirus B3 infection of human endothelial cells. J Gen Virol. 2010, 91(8):1959-70.

Ansprechpartner

Dr. rer.nat. M. Farr (Publikationsliste (PubMed))