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SHENC-Reversible Aggregationen bei der Blutstillung

Der erste Schritt zum Wundverschluss bei einer Verletzung der Blutgefäße ist die Aggregation des von-Willebrand-Faktors mit Blutplättchen. Mannheimer Forscher haben mit Computersimulationen und experimentell an einem künstlichen Blutgefäß gezeigt, dass es sich dabei um einen reversiblen Prozess in Abhängigkeit von den beim Blutfluss erzeugten Scherkräften handelt. Dadurch wird die Verstopfung der gesunden Blutgefäße vermieden.

Beim Fluss des Blutes durch die feinen Verzweigungen der Arterien und Kapillaren treten hohe Scherkräfte auf, durch die die zarten, mit Endothelzellen ausgekleideten Gefäßwände verletzt werden können. Es kommt dann zu kleinen Blutungen, die sofort gestoppt werden müssen, wenn sie nicht lebensbedrohlich werden sollen. Die Blutstillung, die primäre Hämostase, erfolgt über eine Reaktionskaskade, in der das entscheidende Protein der Von-Willebrand-Faktor (VWF) ist.

Aggregation des Von-Willebrand-Faktors; Schema. © Hämophilie Portal. de

Dieses nach dem finnischen Mediziner Erik Adolf von Willebrand genannte, höchst ungewöhnliche Protein wird von den Endothelzellen synthetisiert und dort in speziellen Organellen, den Weibel-Palade-Körperchen, gespeichert. [VWF wird außerdem auch von Megakaryozyten, den Mutterzellen der Thrombozyten (Blutplättchen), produziert und von den Thrombozyten bei der sekundären Hämostase, der nach der Blutstillung einsetzenden Blutgerinnung, freigesetzt.] VWF hat als Einzelmolekül (Monomer) ein Molekulargewicht von etwa 360.000 Dalton, einschließlich der angehängten Zuckerseitenketten. In den Weibel-Palade-Körperchen der Endothelzellen findet man VWF-Dimere, die sich aber miteinander in einem Prozess des „self-assembly“ zu langen, dreidimensional gefalteten Ketten verbinden – bis zu einem Molekulargewicht von etwa 20 Millionen Dalton. Diese Aggregate werden aus den Endothelzellen auf chemische Signale, zum Beispiel bei einer Verletzung der Gefäßwand, freigesetzt. Sie sind die größten in der Blutbahn vorkommenden Proteine überhaupt. Im Bereich einer Wunde in der Gefäßwand erzeugt das austretende Blut hohe Scherkräfte, die bewirken, dass das ursprünglich kugelförmige VWF-Polymer in die Länge gezogen wird. Es entsteht ein bis zu viele hundert Mikrometer langer Molekülfaden, an dem verschiedene Bindungsstellen, die zuvor verdeckt waren, durch die Zugspannung freigelegt werden. Über solche Bindungsstellen erfolgt die Anheftung des VWF an die verletzte Gefäßwand und die Bindung von Thrombozyten aus dem Blut. VWF-Polymere im fließenden Blut vernetzen sich unter dem Einfluss der Scherkräfte auch miteinander und bilden zusammen mit Thrombozyten große Aggregate, die als Blutpfropf dienen und die Wunde verschließen können.

Polymer-Kolloid-Aggregate

Prof. Dr. Stefan W. Schneider © UMM

Dr. Volker Huck und Professor Dr. Stefan W. Schneider von der Sektion Experimentelle Dermatologie an der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg gingen der Frage nach, wie durch diesen Prozess der Blutstillung Wunden in kürzester Zeit verschlossen werden, ohne aber den lebensnotwendigen Blutfluss zu unterbrechen und gesunde Gefäße zu verstopfen. Mit rechnergestützten Simulationen untersuchten sie das Verhalten einer Polymer-Kolloid-Aggregation unter dem Einfluss von Scherkräften. Das Polymer bildeten die VWF-Moleküle; als Kolloid im Strömungsmodell wurden die Thrombozyten des Blutes betrachtet. Es zeigte sich, dass der Aggregationsprozess im Modell vollständig reversibel war: Bei einem bestimmten Strömungsdruck falten sich die VWF-Moleküle auseinander, quervernetzen und lagern die Kolloidteilchen ein. Mit abnehmender Scherkraft zerfallen die Aggregate wieder.

Computersimulation einer reversiblen Aggregation aus VWF-Polymeren (rot) und Kolloiden (blau) unter dem Einfluss von Scherkräften. Erklärung im Text. © Universitätsmedizin Mannheim
Wie die Mannheimer Forscher jetzt in Nature Communications publizierten, konnten sie dieses theoretische Modell auch experimentell verifizieren. Sie verwendeten dazu eine Art künstliches Blutgefäß, ein Flusskammersystem, in dem das Strömungsverhalten von VWF-Polymeren und Thrombozyten mit einer Kombination von Reflexions-Interferenz-Kontrast-Mikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie beobachtet werden konnte. Auch in diesem „in-vitro-Blutgefäßsystem“ war der „self-assembly“-Prozess reversibel; mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit zerfallen die Aggregate wieder. Mit diesen Beobachtungen lässt sich erklären, warum es nicht zum Verschluss von unverletzten Gefäßen durch Blutpfropfe kommt. Nur bei Kontakt zur Wunde, wo hohe Scherkräfte herrschen, kann ein Aggregat aus quervernetzten VWF-Polymeren und Blutplättchen einen Blutpfropf bilden, der dann in der sekundären Hämostase, der Blutgerinnung, zu einem dauerhaften Wundverschluss führt. Aggregate, die an der Wunde vorbeischwimmen, zerfallen dagegen wegen der dort abnehmenden Scherkräfte wieder.

SHENC – Die Regulation von Scherkräften bei der Hämostase

Reversible Polymer-Kolloid-Aggregation im künstlichen Blutgefäßsystem. Erklärung im Text. © Universitätsmedizin Mannheim
Mit diesen Forschungen ist das Team von Stefan Schneider an der 2011 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingerichteten Forschungsgruppe „SHENC-Shear flow regulation of HEmostasis - bridging the gap between Nanomechanics and Clinical presentation“ beteiligt. Wissenschaftler von zwölf Laboratorien aus Deutschland und Österreich bringen in diesen Forschungsverbund ihre medizinische und physiologische Expertise ein, um die Eigenschaften des VWF und seine Schlüsselfunktion im Prozess der primären Hämostase mit unterschiedlichen methodischen Ansätzen aus den Bereichen der experimentellen und theoretischen Biophysik, der Molekularbiologie und Nanotechnologie aufzuklären. Im Zentrum der Untersuchungen steht die Regulation der Hämostase durch Scherkräfte mit dem Ziel, die Lücke zwischen Nanomechanik und klinischer Präsentation zu überbrücken, wie es auch im Akronym SHENC zum Ausdruck kommt.
Die DFG-Forschungseinheit FOR 1543: „SHENC – Shear Flow Regulation of Hemostasis“. © DFG

Zu den an SHENC beteiligten Laboratorien gehört auch die von Dr. Frauke Gräter geleitete Forschungsgruppe Molecular Biomechanics am Heidelberger Institut für Theoretische Studien. Sie hatte schon früher mit Schneiders Team am Universitätsklinikum Mannheim zusammengearbeitet. Mit Hilfe von Computersimulationen war es Gräter und ihren Mitarbeitern erstmals gelungen, die durch den Scherfluss des Blutes am VWF-Protein angreifenden mechanischen Kräfte im Nanometer-Maßstab zu bestimmen. Sie konnten zeigen, dass auch bei der Desintegration der VWF-Aggregate Scherkräfte eine Rolle spielen: Durch Zugspannung kommt es zu einer partiellen Entfaltung des Proteins und eine Angriffsstelle für das VWF-abbauende Enzym ADAMTS 13 wird dadurch freigelegt. Im Rahmen von SHENC simulieren die Heidelberger Forscher auch krankhaft veränderte VWF-Varianten am Rechner. Die Aufklärung der biomechanischen und molekularbiologischen Grundlagen der Kontrollmechanismen im VWF-System ist Voraussetzung für die Identifizierung und die Modulation der kritischen Schritte in der primären Hämostase. Aus der Kenntnis, wie das hochsensible Gleichgewicht zwischen der VWF-Aktivierung, der Aggregation mit Thrombozyten und dem VWF-Abbau zustande kommt und wie es im Krankheitsfall gestört wird, könnten neue Ansätze für die Diagnose und Therapie in den pathologisch veränderten Situationen entwickelt werden.

Publikation:
Hsieh Chen, Mohammad A. Fallah, Volker Huck, Jennifer I. Angerer, Armin J. Reininger, Stefan W. Schneider, Matthias F. Schneider, Alfredo Alexander-Katz : Blood-clotting-inspired reversible polymer-colloid composite assembly in flow. Nature Communications 2013. DOI: 10.1038/ncomms2326

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/shenc-reversible-aggregationen-bei-der-blutstillung