Das NEOCYST-Projekt 5 widmet sich in einem translationalen Ansatz grundlagenwissenschaftlich-zellbiologischen Fragestellungen. Anhand von Bioproben und unter Berücksichtigung der genetischen und klinischen Befunde werden in diesem Teilprojekt molekulare Mechanismen untersucht, die pathophysiologisch für das Fortschreiten der Erkrankungen relevant sind und die klinische Überlappungen zwischen den verschiedenen Gruppen von Patienten erklären könnten.

Zellprogrammierung und Signalübertragung

Universität zu Köln

Im Kölner Teilprojekt liegt dabei ein Schwerpunkt auf der Analyse spezifischer intrazellulärer Signalwege, die bei zystischen Nierenerkrankungen verändert sind. Unser besonderes Interesse gilt in diesem Zusammenhang neben der ARPKD der Nephronophthise, der häufigsten genetischen Ursache eines chronischen Nierenversagens im Kindes- und Jugendalter. Mit modernsten Methoden der Zell(re)programmierung und mit genomic engineering arbeiten wir daran, Einblicke in die Störungen intrazellulärer Signalübertragungswege im Krankheitsfall zu gewinnen und Pathogenese dieser schweren Erkrankungen weiter zu entschlüsseln, was letztlich zur Identifikation therapeutischer Optionen beitragen könnte.

In der ersten Förderperiode (2016-2019) konnten wir mRNA und Proteinexpressionssignaturen bei zystischen Nierenerkrankungen, spezifische Veränderungen der Zilienlänge bei Patienten mit Zilienerkrankungen und neue Gene für zystische Nierenerkrankungen identifizieren, sowie methodische Grundlagen legen, um epitheliale Funktionen an Urinzellen von Zystennierenpatienten funktionell zu charakterisieren.

Im aktuellen Projekt (zweite Förderperiode 2019-2022) werden die zellbiologischen und molekularen Effekte spezifischer Patientenmutationen auf Veränderungen zilienassoziierter Signalwege, die Ausprägung epithelialer Polarität und epitheliale Funktion mit den Befunden ergebnisoffener pharmakologischer Screens abgeglichen, um so therapeutische Ansätze für spezifische Mutationen zystischer Nierenerkrankungen zu etablieren.“

Zelladhäsion und Epithelmorphogenese

Medizinische Hochschule Hannover

Das Teilprojekt in Hannover ist schwerpunktmäßig auf veränderte Epithelzelleigenschaften ausgerichtet, die zu einer Störung der Homöostase von Tubuli und Sammelrohren der Niere führen und die Ausbildung von Zysten verursachen oder fördern. Die veränderten Zelleigenschaften werden ex vivo an Nierenepithelzellen aus Urin untersucht und mit quantitativen Parametern der Zelladhäsion und Epithelmorphogenese korreliert. Das Interesse der Untersuchung gilt zunächst der ARPKD zur Bestimmung charakteristischer Parameter und wird nachfolgend auf die anderen zystischen Nierenerkrankungen im NEOCYST-Verbund erweitert. Die Bestimmung quantitativer Zelleigenschaften mit modernsten Untersuchungsmethoden der Zellbiologie dient der Erfassung krankheitsrelevanter, spezifischer Zellveränderungen, deren mögliche Korrektur über ex vivo Untersuchungen an Epithelzellen der Patienten studiert wird. Die Signatur zellulärer Defekte (und deren Korrektur) soll letztlich zur Identifikation von therapeutischen Optionen für Krankheitsbilder und für die individualisierte Behandlung beitragen.

Zilienstruktur und Zilienfunktion

Westfälische Universität Münster

Das Teilprojekt in Münster ist schwerpunktmäßig auf die Analyse der Zilienstruktur ausgerichtet. Der besondere Fokus liegt hierbei auf der Untersuchung der Zilienlänge, der Zilienzahl, der axonemalen Struktur und der Proteinkomposition. Hierzu werden Zellen sowohl aus Urin als auch aus Nasenbürstungen kultiviert und analysiert. Die Nasenbürstungen sind insbesondere im Fall einer vorherigen Nierentransplantation von höchstem Interesse. Die erhaltenen Daten werden mit klinischen Daten korreliert. Als proof-of-principle sollen mindestens je drei unabhängige Proben mit definierten genetischen Defekten in mindestens drei NPH-Genen, drei BBS-Genen, PKHD1 für die ARPKD und HNF1ß und gut charakterisiertem klinischen Phänotyp untersucht werden. Wir werden unsere Analyse dann auf renale Tubulusepithelzelle (RTE) ausdehnen, die im Rahmen von NEOCYST und in WP2 und WP4 dieses Subprojekts gesammelt werden. Wir werden hochauflösende Immunfluoreszenz und EM-Imaging-Ansätze verwenden, um die Zilienlänge, -zahl und Zilienstruktur zu untersuchen. Die Signatur ziliärer Defekte soll es ermöglichen, den axonemalen Aufbau von Zilien in pädiatrischen Nierenerkrankungen besser zu verstehen und somit über ein verbessertes Verständnis der Pathogenese sowohl neue therapeutische Optionen als auch ziliäre Marker, die als Therapiekontrolle dienen können, zu identifizieren.

In der ersten Förderperiode (2016-2019) konnten wir methodische Grundlagen zur Gewinnung humaner respiratorischer Zellen und Fibroblasten erfolgreich etablieren. Es wurden Nasenbürstenbiopsien von über 150 Patienten gesammelt, kultiviert und teilweise bereits analysiert. Wir konnten außerdem nachweisen, dass das Zilienschlagmuster bei Patienten mit Ziliopathien gestört ist und haben daraufhin die Charakterisierung von primären und kultivierten respiratorischen Epithelzellen in das Projekt aufgenommen.

In der zweiten Förderperiode (2019-2022) werden wir die Analysen der Zilienlängen und Struktur anhand der gewonnen Patientenproben, auch unter dem Aspekt der statistischen Relevanz und Genotyp/Phänotyp-Korrelationen, zum Abschluss bringen. Des weiteren werden wir die Orientierungen der Basalkörperchen analysieren, um finale Aussagen über die möglicherweise eingeschränkte planare Zellpolarität bei Patienten mit zystischen Nierenerkrankungen treffen zu können.