Die vielseitigen Forschungsinteressen unseres Instituts reichen von Barrierefunktionen über Transport von Substraten bis zu Sekretionsmechanismen.

Gefärbte Zellkerne und Cytoceratin-Gerüst der PoCo83-Zelllinie, Foto: Helga Pfannkuche
Immunhistochemische Färbung der PoCo83-Zelllinie, Foto: Helga Pfannkuche

Unsere Forschungsprojekte im Überblick

Am Veterinär-Physiologischen Institut werden mikrophysiologische Systeme, insbesondere Organoide und Organ-on-Chip, entwickelt und für verschiedene Fragestellungen der biomedizinischen Forschung angewendet. Solche Systeme erlauben die Untersuchung von biologischen Vorgängen, die in einem intakten Organismus nur eingeschränkt zugänglich sind, und bei denen gängige in vitro-Modelle wie einfache 2D-Zellkulturen keine ausreichende Komplexität haben.

Lipide beeinflussen verschiedene Aspekte der Haut wie Thermoregulation und Barrierefunktion. Darüber hinaus werden Hautlipide zunehmend als wichtige Regulatoren des gesamten Energiestoffwechsels angesehen. Mithilfe von dreidimensionalen in vitro-Modellen und Bioptaten untersuchen wir diese Funktionen sowie deren Deregulation bei pathologischen Prozessen in Labor- und Haustieren.

Exokrine Drüsen geben ihr Sekret über einen Ausführungsgang an eine innere oder äußere Körperoberfläche ab. Dabei bestimmen die Aufnahme von Substraten aus der Mikrozirkulation, deren Verstoffwechslung und schließlich die Sekretion die Gesamtaktivität einer Drüse. Wir charakterisieren diese Vorgänge bei der Talgdrüse, einer bislang nur unzureichend untersuchten Hautanhangsdrüse. Die Talgdrüse zeigt eine besondere Form von Sekretion, bei der die Drüsenzellen zunehmend ihr Produkt, eine Mischung verschiedener Lipide, in Zytoplasma ansammeln bis es schließlich durch Auflösung der Zellen abgegeben wird (holokrine Sekretion).

Durch mikrobiellen Abbau von Kohlenhydraten im Vormagen von Wiederkäuern entstehen kurzkettige Fettsäuren (Essig-, Propion- und Buttersäure). Diese dienen hauptsächlich der Energieversorgung der Tiere und werden daher durch unterschiedliche Mechanismen effizient resorbiert.

Um die verschidenen Transportmechanismen an z.B. fütterungsbedingt schwankende Konzentrationen kurzkettiger Fettsäuren anzupassen, muss das Vormagenepithel in der Lage sein, Konzentrationsänderungen wahrzunehmen. Mittels PCR- und Immunfluoreszenzanalysen konnten zwei Fettsäurerezeptoren in der Vormagenschleimhaut entdeckt werden. Der Einfluss kurzkettiger Fettsäuren auf intrazelluläre Signalwege wird größtenteils an isolierten Pansenepithelien untersucht. Dabei werden neben elektrophysiologischen Parametern auch die intrazellulären cAMP-Spiegel erhoben.

Über längere Zeit passen sich die Transportprozesse im Gastrointestinaltrakt an die luminalen Einflüsse an. So wird zum Beispiel bei den meisten Tieren die Effizienz des Glukosetransportes nach mehrtägiger Exposition gegenüber kohlenhydratreicher Nahrung erhöht. Uns interessieren vor allen Dingen die regulativen Einflüsse der kurzkettigen Fettsäuren auf derartige Transportprozesse. Hierzu werden die Epithelien über längere Zeit gegenüber Fettsäuren exponiert und nach dieser Zeit die Expression der Zielgene auf mRNA- und Proteinebene charakterisiert.

Nervenzellen des submukösen Plexus kontrollieren verschiedene Epithelfunktionen wie Sekretion, Durchblutung und epitheliale Immunabwehr durch Ausschüttung erregender und hemmender Neurotransmitter. Die Kombination an synthetisierten Neurotransmittern wird als neurochemischer Kode eines Neurons bezeichnet. Beim Schwein ist der submuköse Plexus in eine innere und äußere Schicht unterteilt. Der innere submuköse Plexus (ISP) liegt zwischen Mukosa und äußerem submukösen Plexus (ASP). Der ASP, der zwischen ISP und Zirkulärmuskulatur zu finden ist, kontrolliert vermutlich nicht nur Mukosafunktionen sondern nimmt auch Einfluss auf die gastrointestinale Muskulatur.

Solch eine histologische und vermutlich auch funktionelle Teilung des submukösen Plexus ist charakteristisch für größere  Spezies. Daher gilt das Schwein auch als geeignetes Modelltier um Nerv-Epithel-Interaktionen im humanen Gastrointestinaltrakt zu untersuchen.

Ziel unserer Untersuchungen ist es zu eruieren, inwiefern sich die unterschiedlichen Funktionen des ISP und ASP auch in einer spezifischen neurochemischen Kodierung der Nervenzellen widerspiegeln.

Sekretorische Prozesse im Colonepithel erfahren eine maßgebliche Steuerung und Modulation durch von submukösen Nervenzellen freigesetzte Neurotransmitter. Dies spielt sowohl beim gesunden Tier, als auch bei der Pathogenese sekretorischer Diarrhoen eine Rolle. Unsere Untersuchungen haben zum Ziel das Zusammenspiel verschiedener erregender und hemmender Neurotransmittersubstanzen an isolierten Präparationen aus Epithel und submukösem Plexus im Detail auf Zell- und Gewebe-Ebene einzugrenzen.

Die langfristige Kontrolle der epithelialen Integrität  ist für die Funktion des Gastrointestinaltraktes sowie für die Gesunderhaltung des gesamten Organismus von essentieller Bedeutung. Durch submuköse Neurone freigesetzte Neurotransmitter scheinen hierbei eine wichtige Rolle zu spielen. In vorhergegangenen Untersuchungen konnten wir für verschiedene Neurotransmittersubstanzen eine Modulation der Proliferation oder der Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten bei primärkultivierten Kolonepithelzellen nachweisen. In Folge dieser Untersuchungen fokussieren wir zurzeit insbesondere auf die Wirkungsweise des Acetylcholins. Von Interesse ist hier im Speziellen welche Zelltypen im Gastrointestinaltrakt in der Lage sind Acetylcholin zu synthetisieren und über welche Mechanismen eine Wirkung auf die Epithelzellen vermittelt wird.

Neben den Nervenzellen sind auch viele andere Zellen im Organismus in der Lage Acetylcholin zu synthetisieren und freizusetzen. Im Colonepithel ist dieses „nicht-neuronale“ Acetylcholin essentiell für die Bildung und Aufrechterhaltung einer dichten zellulären Barriere. Unsere Untersuchungen fokussieren sich auf die Rolle des von den Colonepithelzellen selbst synthetisierten Acetylcholins bei der Bildung und Aufrechterhaltung von Tight Junctions unter physiologischen und unter pathophysiologisch relevanten Bedingungen.

Die Steuerung der gastrointestinalen Motilität wird im Wesentlichen durch das enterische Nervensystem realisiert. Insbesondere Nervenzellen, die im myenterischen Plexus lokalisiert sind tragen maßgeblich durch die Ausschüttung erregender und hemmender Neurotransmitter zur Modulation der intestinalen Motorik bei. In vitro wurden solche Nerv- Muskel-Interaktionen bisher haupsächlich durch eindimensionale Messungen an isolierten Präparationen aus Muskulatur und myenterischen Plexus untersucht. Durch Entwicklung eines neuen Messsystems ist es uns nun möglich die Reaktionen der Zirkulär- und der Longitudinalmuskulatur auf die Stimulation myenterischer Nervenzellen zeitgleich an mehreren benachbarten Stellen zu erfassen. Somit kann sowohl das Zusammenwirken der beiden unterschiedlich ausgerichteten Muskulaturschichten untersucht, als auch die Größe der zugrunde liegenden Reflexschaltkreise abgeschätzt werden.

Chronisch entzündliche Darmerkrankungen führen zu einer erhöhten Durchlässigkeit der Darmschranke sowie zu Änderungen der funktionellen Eigenschaften des Darmepithels. Stammzellen, die bereits erfolgreich bei der Regeneration anderer Gewebe eingesetzt werden, können hier ebenfalls eine therapeutische Wirkung entfalten. Hierzu werden die funktionellen Eigenschaften einer Darmepithelzelllinie in An- bzw. Abwesenheit von Stammzellen in Kokultur untersucht.

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