AG Szulcek - In-vitro-Modellierungssysteme für Lungen- und Thromboseerkrankungen
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Labor für in vitro Modellierungssysteme von pulmonalen und thrombotischen Erkrankungen
Das Labor für "in vitro Modellierungssysteme von pulmonalen und thrombotischen Erkrankungen" wurde während der Corona Pandemie 2020 von Dr. Robert Szulcek im Zuge seiner Berufung zum Professor für Physiologie am Institut für Physiologie der Charité – Universitätsmedizin Campus Mitte und dem Deutschen Herzzentrum Berlin gegründet.
Unser Ziel ist es, die translationale Kluft zwischen Tierversuchen und der klinischen Anwendung am Menschen mit Hilfe humanisierter Krankheitsmodelle zu schließen. Dabei ist die Mission, tierversuchsfreie Testplattformen und biologische in vitro Modelle zu entwickeln, welche die Untersuchung von patienteneigenen Zellen (Translation) in ihrer (patho)physiologischen Mikroumgebung (zelluläre Plastizität) unter Berücksichtigung des zellulären und strukturellen Gefäßaufbaus und der wirkenden biomechanischen Kräfte innerhalb verschiedener Gefäßkompartimente (zelluläre und strukturelle vaskuläre Heterogenität) ermöglichen. Ein besonderer Fokus bei der Etablierung dieser Systeme liegt auf der Gewinnung von kontinuierlichen Daten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
Unsere Vision ist, dass diese Plattformen zukünftig universell genutzt werden, um Strategien für die Diagnose von Erkrankungen zu verbessern, pathologische Mechanismen zu erforschen, Medikamente und Behandlungen zu testen und um Therapien zu steuern (Point-of-Care: Therapieüberwachung und Tests am Krankenbett).
Mission
- Tierfrei: Entwicklung von In-vitro-Testplattformen und humanisierten Krankheitsmodellen
- Plastizität von Zellen: Untersuchung von Zellen in ihrer (patho)physiologischen Mikroumgebung
- Heterogenität: Berücksichtigung des zellulären und strukturellen Gefäßaufbaus
- Translation: Verwendung von Patientenproben
- Zeitabhängigkeit: Kontinuierliche Datenerfassung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung
Vision
Unsere Vision ist, dass diese Plattformen universell eingesetzt werden, um Diagnosestrategien zu verbessern, pathologische Mechanismen zu erforschen, Medikamente und Behandlungen zu testen und die Therapie zu steuern.
Wir haben internationale Kooperationen mit Spezialisten in klinischen Bereichen wie Pneumologie, Kardiologie und Chirurgie aufgebaut; sowie in der translationalen und Grundlagenforschung; und Bioinformatik. In diesen Netzwerken können wir alles von der in silico Modellierung, über multizentrische präklinische Experimente (Van Der Feen et al., 2019) bis hin zu kleinen klinischen Proof-of-Principle Studien mit schnellen Durchlaufzeiten realisieren (Botros et al., 2020). Zu unseren Partnern gehören unter anderem das Deutsche Herzzentrum Berlin; die Freie Universität Berlin; das Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung Bad Nauheim; das Deutsche Zentrum für Herzinsuffizienz Würzburg; die Medizinischen Zentren der Universität Amsterdam; das Universitäre Medizinische Zentrum in Leiden, die Universität Barcelona; und das Brigham and Woman's sowie das Massachusetts General Hospital in Boston, USA.
Keywords
wissenschaftliches Portfolio
Unser wissenschaftliches Portfolio konzentriert sich auf zwei thematische Hauptbereiche. Programm 1: Die Interaktion von Blutbestandteilen mit Zellen der Gefäßwand und deren extrazellulärer Matrix (ECM). Programm 2: Die Rolle von Zellplastizität und Heterogenität bei Lungengefäßumbau, Thrombose und Hämostase. Konkret umfassen die Projekte die therapeutische Normalisierung der Thrombozytenfunktion bei COVID-19; Mechanismen der in situ Thrombose bei chronisch thromboembolischer pulmonaler Hypertonie (CTEPH); pharmakologische Modulation von Endothelkinaseprofilen in der pulmonal arteriellen Hypertonie (PAH); und die Untersuchung einer veränderten Lungen-ECM bei PAH.
Programm 1: Interaktion von Blutbestandteilen mit Gefäßzellen und deren ECM.
- Verringerung des Blutungsrisikos bei kardiopulmonalen Bypass-Operationen durch Thrombozytenmodulation
- Förderung der gezielten Wundheilung in Lungenarterien bei der CTEPH
- Hemmung der Thrombose bei kritisch kranken COVID-19-Patienten durch CFTR-Modulation
Programm 2: Die Rolle der Endothelplastizität und Heterogenität beim pathologischen Gefäßumbau der Lunge.
- Spezifische Hemmung proproliferativer mikrovaskulärer Lungenkinaseprofile bei PAH
- Zusammenspiel von Kern-Matrixverankerung und endothelialer Plastizität bei PAH
- Machine learning und Multiomics-Taktiken zur Identifikation neuer pharmakotherapeutischer Ansätze in pulmonalvaskulären Erkrankungen
Methodischer Ansatz
Unsere Arbeit baut auf der engen Zusammenarbeit mit klinischen Abteilungen, der Verwendung von Patientenmaterial und der Isolierung und Kultur einer Vielzahl von primären vaskulären und blutzirkulierenden Zellen (Table 1). Um diese biologischen Proben zu charakterisieren, verwenden wir verschiedene optische und elektrische Echtzeitmesssysteme, welche sich auf dem neusten Stand der Technik befinden und Multiomics-Ansätze (Abbildung 1). Letzteres umfasst Single-cell und globale RNA-Sequenzierung sowie Proteom- und Kinom-Profiling. Die gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um Krankheitsmerkmale (z. B. extrazelluläre Matrixzusammensetzung und Blutflussprofile) zu modellieren und dadurch krankheitsspezifische zelluläre Fehlfunktionen aufzuspüren. Im Allgemeinen decken unsere methodischen und technologischen Ansätze ein breites Spektrum biologischer Fragestellungen ab. Dabei setzen wir einen methodischen Schwerpunkt auf in vitro Thrombosemodellierung (Manz et al., 2020), Anwendung von Flüssigkeitsströmen (Szulcek et al., 2016) und die elektrische Charakterisierung von Zellreaktionen und Wundheilungsprozesse nach mechanischen und chemischen Reizen (Szulcek et al., 2014). Diese Modellsysteme erlauben es, Krankheitsmechanismen ex vivo zu erforschen, die Interaktion von Gefäßkompartimenten und Zelltypen in vitro zu untersuchen und neue therapeutische Strategien zu testen (Manz et al., 2022).
Unser Arbeitsansatz
- Entnahme von humanem, biologischen Material und Isolierung von patienteneigenen Zellen; Berücksichtigung vaskulärer Kompartimente
- Charakterisierung biologischer Proben durch moderne "Omics"- und Echtzeit-Ansätze
- In-vitro Modellierung biomechanischer Aspekte von Krankheitsbildern, um zelluläre Funktionsstörungen aufzudecken
- Erforschung der grundlegenden Mechanismen von zellulären Funktionsstörungen und Erprobung von Wirkstoffen zur Wiederherstellung der physiologischen Funktion in den modellierten pathologischen Mikroumgebungen
- Translationaler Schwerpunkt auf thrombotische und Lungenerkrankungen
Equipment & Facilities
Cell culture facilities
Wet lab facilities
EVOS M5000 fluorescence imaging system
Ibidi climate chamber for live cell imaging and generation of hypoxic conditions
Ibidi and syringe pumps for generation of fluid shear stress
Electric Cell-substrate Impedance Sensing (ECIS) System
Access to all core-facilities of Charité and Berlin Institute of Health (BIH)
Key-publications and Editorial Work
- Research Topic in Frontiers of Physiology - Bridging Techniques: Basic Science of Molecules, Cellular Systems, and Whole-Organ Physiology https://www.frontiersin.org/research-topics/16429/bridging-techniques-basic-science-of-molecules-cellular-systems-and-whole-organ-physiology#articles
- Epigenetic Modification of the VWF Promotor Drives Platelet Aggregation on the Pulmonary Endothelium in Chronic Thromboembolic Pulmonary Hypertension. Manz XD, Szulcek R, Pan X, Symersky P, Dickhoff C, Majolée J, Kremer V, Michielon E, Jordanova ES, Radonic T, Bijnsdorp IV, Piersma SR, Pham TV, Jimenez CR, Vonk Noordegraaf A, de Man FS, Boon RA, Voorberg J, Hordijk PL, Aman J & Bogaard HJ (2022). Am J Respir Crit Care Med. [IF2020= 21.405]
- Methods Collection in JOVE - In Vitro Modeling Systems of Respiratory Illnesses and Diseases www.jove.com/de/methods-collections/343
- Exacerbated Inflammatory Signaling Underlies Aberrant Response to BMP9 in Pulmonary Arterial Hypertension Lung Endothelial Cells. Szulcek R, Sanchez-Duffhues G, Rol N, Pan X, Tsonaka R, Dickhoff C, Yung LM, Manz XD, Kurakula K, Kiełbasa SM, Mei H, Timens W, Yu PB, Bogaard HJ & Goumans MJ (2020). Angiogenesis 23, 699–714. [IF2020=9.596]
- Delayed Microvascular Shear Adaptation in Pulmonary Arterial Hypertension. Role of Platelet Endothelial Cell Adhesion Molecule-1 Cleavage. Szulcek R, Happé CM, Rol N, Fontijn RD, Dickhoff C, Hartemink KJ, Grünberg K, Tu L, Timens W, Nossent GD, Paul MA, Leyen TA, Horrevoets AJ, Man FS de, Guignabert C, Yu PB, Vonk-Noordegraaf A, van Nieuw Amerongen GP & Bogaard HJ (2016). Am J Respir Crit Care Med 193, 1410–1420. [IF2016=13.204]
- Szulcek R, Bogaard HJ & van Nieuw Amerongen GP (2014). Electric cell-substrate impedance sensing for the quantification of endothelial proliferation, barrier function, and motility, J Vis Exp. [IF2014=1.113]
AG Leiter
Mitarbeiter
Doktorand - non-apoptotic role of caspases
Doktorand – in situ thrombosis in CTEPH
Doktorand – postoperativ bleeding
Alumni
- Rim Moussa - Master thesis Bioinformatics
- Irene Bulgarelli - Student intern
- Milena Droll - Student intern
- Daniel Steiert - Student assistant Bioinformatics & master thesis Bioinformatics
- Claudia Abad Baucells - Master internship Molecular Medicine
- Lena Kampen - Master internship Molecular Medicine
- Felix Aulenbach - Master thesis Bioinformatics
- Xue D. Manz - PhD student