Neurobiologisches Labor

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Forschungsschwerpunkte

Hirnstrukturelle Auffälligkeiten sind bei Patienten mit neuropsychiatrischen Störungen, insbesondere auch bei affektiven Störungen, gut bekannt. Solche strukturellen Veränderungen des Gehirns sind konzeptuell gut vereinbar mit einer im Rahmen der neuropsychiatrischen Grunderkrankung gestörten Homöostase neurotropher Faktoren.

Auch bei neurologischen Erkrankungen wie M. Parkinson, Schlaganfall, multipler Sklerose oder demenziellen Erkrankungen stellen affektive, insbesondere depressive Syndrome eine häufig zu beobachtende Komplikation der Grunderkrankung dar. Auch hier wird ein Zusammenhang zwischen struktureller bzw. neuropsychiatrischer Auffälligkeit und einer pathologisch veränderten Homöostase neurotropher Faktoren diskutiert.

Eine herausragende Rolle mit besonders eindrucksvollen neuroprotektiven und anti-(neuro-)inflammatorischen Effekten kommt in diesem Zusammenhang der Retinsäure zu, einem hochaktiven Metaboliten des Vitamin A.

Retinsäurehomöostase im adulten ZNS

Strukturformel der all-trans Retinsäure
Strukturformel der all-trans Retinsäure

Retinsäure (RA) wird hirnlokal in einem streng koordinierten Prozess synthetisiert und gleichzeitig auch wieder abgebaut (metabolisiert). Die sich aus diesem stetigen Auf- und Abbauprozess ergebenden räumlichen und zeitlichen Konzentrationsverteilungen (Gradienten) stellen vermutlich eine wichtige Grundlage der vielfältigen parakrinen Wirkungen der Retinsäuren im ZNS dar.

Während die Eigenschaften der Retinsäure als wichtiges Morphogen in der Embryonalentwicklung oder auch im Prozess der Phototransduktion der Retina als relativ gut erforscht gelten können, ist über die Rolle der Retinsäure im adulten ZNS, wo sie unter physiologischen Bedingungen in relative hohen Konzentrationen gemessen wird, vergleichsweise wenig bekannt.

Verschiedene präklinische Ergebnisse weisen auf eine essenzielle Rolle der Retinsäuren bei Prozessen wie neuronaler Differenzierung (Neurogenese), synaptischer Plastizität (synaptic scaling) und bei der Modulation inflammatorischer Vorgänge im Immunsystem (z.B. Hemmung von Makrophagen, Differenzierung regulatorischer T-Zellen) hin. Klinische Ergebnisse stützen Hinweise auf allgemein neuroprotektive Eigenschaften der Retinoide und weisen auf einen möglichen Zusammenhang zwischen der Entstehung depressiven Erkrankungen und einer gestörten Retinsäurehomöostase hin (Bremner, Shearer and McCaffery, 2012).

Retinsäure kann also zusammenfassend als "endogener neuroprotektiver Faktor" bezeichnet werden.

Unsere Arbeitsgruppe befasst sich mit der Charakterisierung der hirnlokalen Retinsäurehommöostase im adulten ZNS unter physiologischen und pathologischen Bedingungen. In diesem Zusammenhang widmen wir uns auch der Untersuchung möglicher Umwelteinflüsse (Licht und andere elektromagnetische Strahlung, Ernährung, Mikrobiom) sowie pharmakologischer Modulierbarkeit der Retinsäurehomöostase im adulten ZNS.

In-vitro Modelle neurostimulatorischer Verfahren

Wir sind ferner an der Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen nicht-pharmakologischer Neurostimulationsverfahren wie rTMS, EKT und tDCS interessiert. Hierzu werden verschiedene humane, vorwiegend neuronale Zellkulturmodelle entwickelt, die neben leichter Zugänglichkeit und Untersuchbarkeit möglicherweise beteiligter Mechanismen teilweise auch minimalinvasiv vom Patienten gewonnen werden können.  Somit entsprechen die Zellkulturen dem Ansatz der personalisierten Medizin.

Für unsere experimentellen Ansätze steht uns neben der unmittelbaren Nähe zur psychiatrischen Klinik der Charité, Universitätsmedizin Berlin und Zugang zu neurostimulatorischen Devices ein breites Spektrum an leistungsfähigen Methoden zur Verfügung.

Hirnlokaler Metabolismus von Psychopharmaka

Expression of CYP26, a CYP450 isozyme, in human cerebral cortical neurons - click to enlarge

Weiterhin sind wir an der Untersuchung des hirnlokalen Metabolismus verschiedener psychotroper Substanzen interessiert. Während ein Großteil aller psychopharmakologischen Substanzen über das Cytochrom-P450-System der Leber metabolisiert wird, ist mittlerweile bekannt, dass auch bestimmte Regionen des ZNS einen nicht unerheblichen Gehalt funktioneller, teilweise hochspezifischer und hochaktiver CYP450 Isozyme aufweist. In diesem Zusammenhang interessieren uns neben der quantitativen und qualitativen Verteilung der Isozyme im ZNS auch der jeweils funktionelle Betrag dieser Enzyme zu einer differenziellen Regulierung lokaler Gewebsspiegel verschiedenster Substanzenwie z.B. klassischer Psychopharmaka, sowie eine potenzielle wechselseitige Beeinflussung des lokalen Metabolismus durch Hemmung oder Enzyminduktion im Zielgewebe selbst. Hierzu entwickeln wir derzeit verschiedene pharmakologische in-vitro Ansätze, die vorwiegend auf frischen, organotypischen Schnittkulturen verschiedener Hirnregionen basieren.

Methoden

Proteinbiochemische Methoden: Western Blotting, ELISA sowie mikroskopisch Immunhistochemie und Immunzytochemie

Zell- und Gewebekultur: Kultur von etablierten immortalen Zelllinien (derzeit etabliert: Humane neuronale Zellinie SH-SY5Y, drei humane Prostatakarzinom-Zelllinen (aus Kooperation mit Klinik f. Urologie der Charité), eine humane Keratinozytenzelllinie (aus Kooperationen mit den Kliniken f. Dermatologie und für Zahnmedizin der Charité). Weiterhin können in speziellen Techniken murine Gewebsschnitte angefertigt und kultiviert werden sowie (humane) Primärzellen gewonnen und unter Einsatz spezifischer Wachstumsfaktoren sowie mechanischer Selektionsverfahren in Zelltypen mit Eigenschaften von bspw. Binde- und Fettgewebe, epithelialem, vaskulärem und neuronalem Gewebe differenziert werden ('tissue engineering').

Molekularbiologische Methoden: PCR, Klonierung, Transfektion zur Up- und Downregulation (shRNA-basiertes gene silencing) von Targetgenen.

Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC): Quantifizierung endogener Neurotransmitter (Katecholamine sowie alle relevanten Aminosäuretransmitter)

HPLC-basierte Methodik zur Quantifizierung verschiedener Parameter des endogenen Retinsäuremetabolismus: Assays für Zellkultur (intra- und extrazellulär), Mikrosomenpräparationen (Leber), Synaptosomenpräparationen (Hirn), organotypische Hirnschnittkulturen (extra- und intrazellulär) sowie Primärzellkulturen.

Neuronale Stammzellkultur (hNSCs): Kultur humaner neuronaler Stammzellen in Suspension, 2D- und 3D extrazellulärer Matrix

Arbeitsgruppenleitung

Dr. med. Julian Hellmann-Regen

Leiter des Neurobiologischen Labors

Team

  • Regina Hill (CTA)
  • Rita Benz (MTA)
  • Meike Terborg (MTA)
  • Irmelin Herzog (med. Doktorrandin)
  • Martin Hildebrand (med. Doktorrand)
  • Natalie Le Bret (Stud. d. Biochemie)
  • Erica Costantini (Dipl.-Biologin, Gastwissenschaftlerin)
  • Dr. Michiru D. Sugawa (Dipl.-Biochemikerin, Gastwissenschaftlerin)
  • Dr. Vera Clemens (Ärztin, Wiss. MA)
  • Dr. Francesca Regen (Ärztin, Wiss. MA)
  • Dr. Julian Hellmann-Regen (Arzt, Arbeitsgruppenleitung)

Ausgewählte Kollaborationen

  • Experimental Neurology, Charité Berlin
  • Centrum für Schlaganfallforschung Berlin (CSB)
  • Dept. of Dermatology, Charité Berlin
  • Dept. of Urology, Charité Berlin
  • Zelluläre Neurowissenschaften, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
  • Physikalische Biochemie, TU Darmstadt

Gastwissenschaftlerin/Kollaborationspartnerin **

  • Dr. rer. nat. Michiru D. Sugawa

Kontakt

Campus Benjamin Franklin
Hindenburgdamm 30
1. Untergeschoss, Haus V, 5011
12203 Berlin

Lageplan

t: +49 30 450 617 747 (Labor)
f: +49 30 450 517 947 (Fax)
mail: julian.hellmann(at)charite.de

Ausgewählte Publikationen

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