Am Institut werden grundlagen- und krankheitsrelevante wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Dabei lassen sich verschiedene Schwerpunkte herausstellen:

(1) Nanomechanische Eigenschaften und Funktionen von Endothelzellen.
Endothelzellen kleiden das Innere von Blutgefäßen aus und sind dementsprechend den hämodynamischen Kräften des Blutstromes ausgesetzt. Diese „strategische Position“ ermöglicht dem Endothel die vaskulären Funktionen zu kontrollieren. Die Scherkräfte des Blutes („shear stress“) wirken auf die Endothelzellen ein und verformen diese an der Zelloberfläche. Das führt zu einer Aktivierung der endothelialen Stickstoffmonoxid (nitric oxide, NO)-Synthase und zu einer Freisetzung des vasoaktiven Gases NO. NO diffundiert zu den unter den Endothelzellen liegenden glatten Muskelzellen und führt zu einer Vasodilatation über einen cGMP-abhängigen Signalweg. Während der letzten Jahre wurde klar, dass die nanomechanischen Eigenschaften von Endothelzellen und die Freisetzung von NO eng miteinander in Verbindung stehen: eine weiche Endothelzelle setzt unter „shear stress“ mehr NO frei, als eine mechanisch steife. Im Falle einer chronisch verminderten Bioverfügbarkeit von NO kann man dementsprechend vom „Stiff Endothelial Cell Syndrome“ (SECS) sprechen. Dabei kommt es zu pathophysiologischen Veränderung des vaskulären Endothels und inflammatorischen Prozessen, bei denen die endotheliale Glykokalyx, der endotheliale Na+ Kanal (EnNaC) und das kortikale Zytoskelett zentrale Rolle spielen. Hypertonie und kardiovaskuläre Ereignisse sind die Folge dieser zellulären Umbau-Prozesse. Mittels Rasterkraftmikroskopie („Atomic Force Microscopy“, AFM) und molekularbiologischen Methoden werden die mechanischen Eigenschaften von Endothelzelloberflächen untersucht. Ziel dabei ist es den molekularen Mechanismus und die physiologische Funktion der endothelialen Nanomechanik zu verstehen.

(2) Die sauerstoffabhängige Genregulation wird durch im Zytosol synthetisierte Proteine (Hypoxie-induzierbare Faktoren, HIF), welche in den Kern transportiert werden und dort als Transkriptionsfaktoren wirken, kontrolliert. HIF stimulieren u.a. die Expression des Gens für Erythropoietin (EPO) und damit die Bildung roter Blutzellen. An Zellkulturen und anderen Alternativmodellen wird die Beziehung zwischen Sauerstoffversorgung und der Aktivität von HIF, sowie die Modulation durch Entzündungsreaktionen, untersucht. Dabei steht im Fokus, wie biologische Sauerstoffsensoren funktionieren und wie sie pharmakologisch und genetisch beeinflusst werden können. Ziel der Arbeiten ist es, neue Wege zur Therapie von Blutbildungsstörungen und soliden Tumoren aufzuzeigen.

(3) Die molekulare Regulation der Sauerstoffhomöostase wird durch die kontrollierte Passage von Proteinen über die Zellkernmembran beeinflusst. Dies gilt insbesondere für beteiligte Transkriptionsfaktoren (wie der Hypoxie-induzierbarer Faktor HIF) und die molekularen Sauerstoffsensoren (Prolylhydroxylasen), die im  Zellkern ihre biologische Wirkung entfalten. Die Transportprozesse über die Kernmembran und deren Regulation sind ein Fokus im Rahmen der Untersuchung von sauerstoffabhängiger Genregulation.

(4) Die Regulation der Organdurchblutung erfolgt über die Änderung des Gefäßdurchmessers kleiner Arteriolen. Dies steht unter der besonderen Kontrolle der Endothelzellen, die die innerste Wand der Gefäße bilden. Das Endothel moduliert die Aktivität des benachbart liegenden glatten Gefäßmuskels durch die Freisetzung verschiedener Faktoren und kontrolliert dadurch den Gefäßdurchmesser. Die Endothelfunktion wird mittels Intravitalmikroskopie in einem Skelettmuskel der Maus, am isoliert perfundierten Herz, an isolierten Gefäßen und mittels Blutdruckmessung im Versuchstier untersucht. In der Intravitalmikroskopie lassen sich die Arteriolen, welche das Gewebe versorgen und die Durchblutung kontrollieren, direkt beobachten. Es werden Gefäßdurchmesser, Blutfließgeschwindigkeit und das Membranpotential der Gefäßzellen (Endothel, glatter Muskel) gemessen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Koordination des Gefäßverhaltens. So führen eine Reihe von vasomotorisch wirksamen Stimuli nicht nur zu einer Gefäßantwort an der Applikationsstelle, sondern auch zu Durchmesseränderungen an entfernten, stromaufwärts hiervon gelegenen Regionen. Die Ausbreitung der Gefäßreaktion entlang der Arteriole erfordert Zellverbindungen, die von den sog. Gap Junctions, bestehend aus Connexinen, gebildet werden. Ziel der Untersuchungen ist es, die Rolle endothelialer Mediatoren und der Gap Junctions bei der Regulation der Organdurchblutung zu untersuchen.

(5) In Kooperation mit dem Institut für integrative und experimentelle Genomik werden Gene, die in genomweiten Patientenstudien mit Herzinfarkt und koronarer Herzkrankheit assoziiert sind, auf ihre funktionelle Bedeutung in physiologischen und pathophysiologischen Modellen hin untersucht. Hierzu werden Blutdruckmessung am Versuchstier, Entwicklung von Atherosklerose und Plättchenaggregation in vivo an gendefizienten Mäusen untersucht.

(6) Isoliert perfundierte Nieren (Maus und Ratte) werden als Versuchmodell genutzt, um renale Wirkungen von Hormonen und Pharmaka darzustellen.

Lehre

Die Physiologie erklärt, wie der Organismus funktioniert, vom Molekül bis zur Integration in den Gesamtorganismus. Diese Kenntnisse sind für Medizinstudenten von besonderer Relevanz und werden ihnen innerhalb des 3. und 4. Semesters in Vorlesungen, Seminaren und Praktika der Physiologie vermittelt. In verschiedenen Wahlpflichtfächern (Herz- und Kreislaufphysiologie, Sportphysiologie, Kultur der Gehörlosen) können die Kenntnisse für interessierte Studenten weiter vertieft werden.

Auch in anderen Studiengängen ist die Physiologie von Bedeutung. In den Studiengängen Molecular Life Science (MLS), Psychologie und Mathematik und Medizin in Lebenswissenschaften (MML) wird Physiologie in Vorlesungen und Praktika, angepaßt an die Bedürfnisse der Studenten, unterrichtet. In den technischen Studiengängen der Universität (Medizinische Ingenieurwissenschaft und Medizinische Informatik) und der Fachhochschule (Hörakustik und Biomedizintechnik) werden spezifische relevante Fragen und Kenntnisse in Vorlesungen vermittelt.