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FWF-Projekt „Lipoprotein Interaktion mit Biomembranen“

Vielen von uns haben schon einmal vom sogenannten „guten“ (HDL) und „schlechten“ (LDL) Cholesterin gehört. Ebenfalls bekannt ist, dass deren Ungleichgewicht in Zusammenhang mit Krankheiten wie Atherosklerose, Diabetes und Krebs steht. Dem Verständnis des zellulären Stoffwechsels, insbesondere der Frage, wie bestimmte Lipoproteine ihre Aufgabe im Körper erledigen, widmet sich das bis 2024 laufende FWF-Projekt von Birgit Plochberger.

Cholersterin ist ein lebenwichtiger Rohstoff im menschlichen Körper. Durch die Transportvesikel HDL (high density lipoprotein) und LDL (low density lipoprotein) werden Zellen und Organe mit den benötigten Cholesterinen, Triglyceriden und Cholesterol-Ester versorgt. Vereinfacht gesagt, transportiert LDL die fettartigen Substanzen zu den Zellen und HDL überschüssige Fette wieder zurück zur Leber. Dieser Austausch ist essentiell, um die zelluläre Cholesterinhomöostase aufrechtzuhalten. Bei erhöhtem LDL nehmen die Zellen zu viel Fettiges in den Arterienwänden auf, was zu Entzündungsreaktionen und der Aktivierung von Fresszellen des Immunsystems (Makrophagen) führt. Langfristig entstehen so unbewegliche kleine Ablagerungen (Plaques), die die Gefäße zunehmend verengen. Ob und wie sehr die individuelle Ernährungsweise zu einem erhöhten Atherosklerose-Risiko beiträgt, ist wissenschaftlich nicht gezeigt. Anerkannt ist jedoch, dass sich anhand von Grenzwerten von HDL und LDL Vorhersagen treffen lassen. Zusätzlich können diese Vesikel auch andere Bestandteile mittransportieren, die die Entstehung verschiendenster Krankheiten begünstigen. Die Fetttransporter unterscheiden sich in ihrem Anteil fettähnlicher Substanzen, der Größe und Dichte sowie einem speziellen Protein, welches die Aufnahme in Zellen oder Gewebe ähnlich einem Schlüssel-Schloss-Prinzip ermöglicht. Die  genaue Wechselwirkung der Transportvesikel und deren nachgesagte Eigenschaften sind jedoch noch Gegenstand der Forschung – und genau hier setzt das FWF-Projekt von Birgit Plochberger an.

Mittels hochsensitiver Techniken mit räumlich und zeitlich hoher Auflösung sollen die Partikel detektiert und ihre Interaktionen in Echtzeit nachvollzogen werden. Hierfür wurden im Rahmen des FWF-Projekts Methoden weiterenwickelt und den Forschungsfragen angepasst. Die Komibination aus Rasterkraft- und Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskop soll die Beobachtung der Partikelinteraktion in Echtzeit erleichtern und zum ersten Mal beispiellose Details der Partikelinteraktionen mit verschiedenen Membranen in verschiedenen Stadien zeigen. Der Einsatz von Fluoreszenz-Kreuzkorrelationsspektroskopie und C-Laurdan-Polarisationsmessungen soll zusätzlich die Freisetzung von Ladungen (z.B. Cholesterin) in verschiedenen Membranumgebungen bestätigen. Auf diesem Wege konnte bereits beobachtet werden, wie HDL, aber auch LDL mit Membranen wechselwirken. Und auch ein neuer Mechanismus wurde dabei entdeckt: anders als bisher angenommen, scheint HDL kein Schlüssel-Schloss-Prinzip zu benötigen, um Fettiges auf- oder abzugeben. Der genaue Ablauf des Mechanismus soll noch im Rahmen des Projekts geklärt werden.

Der alternative Ansatz zur Analyse systematischer Parameter kann vor allem im Zusammenhang mit der Entstehung und Behandlung von Krankheiten, von Bedeutung sein. Denn die Partikel werden auch für den direkten Transport von Pharmazeutika genutzt. Mit genauer Kenntnis über den Mechanismus, können Methoden zur spezifischen Steuerung der Lipidzufuhr und zur Prävention entwickelt werden.

Fragen zum Projekt?
Leitung: Dr. Birgit Plochberger
Kontakt: birgit.plochberger@fh-linz.at

FWF-Projekt „Aufklärung des IgG-Oligomer-vermittelten FcR-Clusterings“

Antikörper sind eine der wichtigsten Moleküle unseres Immunsystems und stehen an vorderster Front bei der Bekämpfung von Krankheitserregern und entarteter Körperzellen. Ihre spezifische Struktur ermöglicht das Anheften an fremde Zellen, wodurch diese als Angriffszellen für körpereigene Immunzellen sichtbar werden. Letztere binden mittels Fc-Rezeptoren (FcR) am freien Ende der Antikörper. Nun wird im Zuge des FWF-Projekts unter der Leitung von Dr. Johannes Preiner der Mechanismus des FcR-Clustering, also der Anhäufung solcher Rezeptoren, mittels High-End Mikroskopie Techniken untersucht.

Antikörper lassen sich als spezialisierte, Y-förmige Proteine beschreiben. Mit Hilfe ihrer zwei „Ärmchen“, den so genannten Fab-Fragmenten, können sie spezifische Strukturen auf der Oberfläche von Viren, Bakterien oder Tumorzellen erkennen, sich fest an diese binden und somit für die weiteren Komponenten des Immunsystems markieren. Der so von der Oberfläche der markierten Zielzelle abstehende Stamm des Y-förmigen Antikörpers, das Fc-Fragment, kann dann im Weiteren von speziellen Immunzellen erkannt werden, wodurch diese aktiviert und die Antikörper-markierten Zielzellen unschädlich gemacht werden. Als Bindungspartner dieser Antikörper-Fc-Fragmente spielen die sogenannten Fc-Rezeptoren (FcR) auf der Oberfläche der Immunzellen eine wichtige Rolle: Sie sorgen für die spezifische Erkennung der Fc-Fragmente und initiieren durch ihr lokales Clustering auf der Immunzelloberfläche, d.h. durch lokale Anhäufung der Fc-Rezeptoren innerhalb der Kontaktfläche der beiden Zellen, deren Aktivierung. Infolgedessen erfolgt die Zerstörung der Zielzelle durch Ausschüttung von zytotoxischen Proteinen oder direkte Phagozytose (die Immunzelle „frisst“ die Zielzelle auf).

Das FWF-Projekt mit einer Laufzeit von 4 Jahren widmet sich dem Verständnis des Mechanismus des Clusterings von Fc-Rezeptoren durch ihre Bindung an Antikörper. Dabei setzt man auf eine Kombination von High-Speed Rasterkraftmikroskopie, Kryo-Elektronenmikroskopie und Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie sowie einer Quarz-Kristall Mikrowaage zur Quantifizierung der Wechselwirkungen zwischen Antikörper und Fc-Rezeptoren. Ziel dabei ist es, die Clusterbildung strukturell und dynamisch – zeitaufgelöst zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist eine kürzlich neuentdeckte Eigenschaft von Antikörpern, sich unter gewissen Voraussetzungen bei der Bindung an eine Zielzelle schneeflockenartig, in Antikörper-Hexameren anzuordnen. Ebenfalls zu erforschen gilt, ob das Clustering der Fc-Rezeptoren auf der Immunzelle durch das Binden an bereits zuvor geformte Antikörper-Hexamere hervorgerufen wird. In diesem Falle wäre die Aktivierung der Immunzelle eine direkte Folge der Antikörper-Hexamerisierung auf der Zielzelle, was weitreichende Konsequenzen für die Entwicklung neuer, auf Fc-Rezeptoren basierender Immuntherapien hätte.  

Das Projekt wird von Dr. Johannes Preiner an der FH Oberösterreich, Abteilung Medizintechnik, Campus Linz in Zusammenarbeit mit Dr. Thomas H. Sharp, Universitätsklinikum Leiden, Niederlande, durchgeführt.

Fragen zum Projekt?
Projektleitung: Dr. Johannes Preiner
Kontakt: johannes.preiner@fh-linz.at