(Wien, 13-01-2021) Daniela Weinmann und Mahmoud Elshamly vom Karl Chiari Lab for Orthopaedic Biology (Arbeitsgruppe Stefan Tögel) an der Universitätsklinik für Orthopädie und Unfallchirurgie der MedUni Wien wurden für ihre Forschungsarbeiten mit Wissenschaftspreisen ausgezeichnet. Daniela Weinmann erhielt den AFOR-Wissenschaftspreis, Mahmoud Elshamly den Wissenschaftspreis der Österreichischen Gesellschaft für Wirbelsäulenchirurgie.
Das Karl Chiari Lab for Orthopaedic Biology an der Universitätsklinik für Orthopädie und Unfallchirurgie der MedUni Wien erforscht die Pathomechanismen orthopädischer Erkrankungen mit dem Ziel neuartige Konzepte für deren Verständnis und Therapie zu entwickeln. Ein Schwerpunkt der Forschungstätigkeiten befasst sich mit der Glykobiologie der Arthrose, einem neuartigen Forschungsansatz, der das Zusammenspiel von Glykanen mit glykan-bindenden Proteinen (z.B. Galektinen) sowie dessen Rolle für die arthrotische Knorpeldegeneration untersucht.
AFOR-Wissenschaftspreis 2020 für Daniela Weinmann
Die Schweizer Stiftung AFOR (Association For Orthopaedic Research) verleiht jährlich den AFOR-Wissenschaftspreis für hervorragende Arbeiten aus klinischer oder experimenteller Forschung auf dem Gebiet der Orthopädie und Traumatologie. Daniela Weinmann erhielt den Preis anlässlich der im Top-Journal „Cellular and Molecular Life Sciences“ (IF: 6,496) publizierten Arbeit „Galectin-8 induces functional disease markers in human osteoarthritis and cooperates with galectin-1 and -3“ [1].
Diese Arbeit entstand im Karl Chiari Lab for Orthopaedic Biology in Kooperation mit dem Zentrum für Medizinische Statistik, Information und Intelligente Systeme (Institut für Biosimulation und Bioinformatik), dem Zentrum für Anatomie und Zellbiologie (Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie) sowie dem Institut für Physiologische Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität in München.
Galektin-8 fördert die arthrotische Knorpeldegeneration
Arthrose ist eine degenerative Gelenkserkrankung und zählt zu den Hauptursachen für körperliche Beeinträchtigung bei älteren Menschen. Dennoch sind die zugrunde liegenden Pathomechanismen immer noch nicht vollständig geklärt. Das Karl Chiari Lab of Orthopaedic Biology verfolgt deshalb seit einigen Jahren einen gänzlich neuen Ansatz in der Arthroseforschung und beschäftigt sich intensiv mit glykobiologischen Aspekten dieser Erkrankung.
Durch das Zusammenspiel von Glykanstrukturen (Zuckerstrukturen) und Galektinen (zuckerbindende Proteine) in Geweben bzw. an Zelloberflächen werden im Rahmen von physiologischen und pathologischen Prozessen zahlreiche biologische Informationen übertragen. Die Relevanz von glykobiologischen Veränderungen im arthrotischen Gelenksknorpel sowie die funktionelle Bedeutung der Interaktion von bestimmten Galektinen (Galektin-1 und -3) mit Glykanstrukturen für das Fortschreiten der Arthrose konnten die ForscherInnen bereits in vorhergehenden Arbeiten unterstreichen.
Dabei konnten sie unter anderem zeigen, dass Galektin-1 und -3, die strukturell zwei verschiedenen Gruppen von Galektinen angehören, durch ihre funktionelle Kooperation maßgeblich an Entzündungsprozessen im arthrotischen Gewebe beteiligt sind.
In der ausgezeichneten Studie, die das Konzept der funktionellen Kooperation mit Galektin-8 um die dritte strukturelle Gruppe an Galektinen erweitert, konnten sie zunächst zeigen, dass das Vorhandensein von Galektin-8 in Knorpelzellen mit dem Degenerationsgrad des Knorpelgewebes der ArthrosepatientInnen zusammenhängt. Weiters konnte nachgewiesen werden, dass Galektin-8 von Knorpelzellen auch sezerniert wird, was wiederum eine glykan-vermittelte Bindung an die Zellen und Auslösen eines biologischen Effekts ermöglicht.
Mithilfe von zellbiologischen und bioinformatischen Analysen haben die ForscherInnen weiters herausgefunden, dass Galektin-8 in Knorpelzellen ein genetisches Programm auslöst, das weitgehend unter NF-κB Kontrolle steht, und welches die Gelenksentzündung fördert und den Knorpelabbau begünstigt. Ein Vergleich mit den Daten von Galektin-1 und -3 brachte Hinweise, dass sich diese zellulären Programme zu einem gewissen Teil überlappen. Zellkulturversuche mit einer Kombination aus allen drei Galektinen bestätigten diesen Verdacht der funktionellen Kooperation von Galektin-8 mit Galektin-1 und -3.
Somit hat die Studie nicht nur Galektin-8 als weiteren klinisch relevanten Faktor für die arthrotische Knorpeldegeneration identifiziert, sondern untersucht zum ersten Mal Galektine aller strukturellen Gruppen im selben Modellsystem (Arthrose). Diese neue Herangehensweise, nicht die Funktion einzelner Galektine zu betrachten, sondern diese als Netzwerk von Mediatoren zu sehen, könnte in Zukunft auch für andere Forschungsbereiche von Interesse sein.
Zur Person
Daniela Weinmann wurde 1987 in St. Pölten geboren und maturierte dort 2006 an der Handelsakademie. Danach studierte sie von 2006–2012 Molekulare Biologie an der Universität Wien. Weinmann absolvierte bereits ihre Diplomarbeit im Karl Chiari Lab of Orthopaedic Biology unter Supervision von Stefan Tögel und verfasste dort im Anschluss auch ihre Dissertation im Rahmen des Doktoratsstudiums „Bones and Joint Regeneration“ der Medizinischen Universität Wien. Für ihre Dissertation erhielt Daniela Weinmann im Jänner 2018 den Dissertationspreis des vfwf. Seit 2016 absolviert sie außerdem das Humanmedizinstudium an der Medizinischen Universität Wien, wo sie auch seit einigen Jahren in der Lehre tätig ist. Daniela Weinmann ist verheiratet und hat 2018 einen Sohn zur Welt gebracht.
Wissenschaftspreis 2020 der Österreichischen Gesellschaft für Wirbelsäulenchirurgie für Mahmoud Elshamly
Die Österreichische Gesellschaft für Wirbelsäulenchirurgie fördert AutorInnen von hervorragenden wissenschaftlichen Publikationen mit einem jährlichen Preis für einen mindestens vierwöchigen Studienaufenthalt.
Dieses Jahr erging der Preis an Mahmoud Elshamly anlässlich der im Journal „Journal of Orthopedic Research“ (IF: 2,728) publizierten Arbeit „Galectins‐1 and ‐3 in Human Intervertebral Disc Degeneration: Non‐Uniform Distribution Profiles and Activation of Disease Markers Involving NF‐κB by Galectin‐1“ [2]. Im Zuge eines durch den Preis ermöglichten Studienaufenthalts am Wirbelsäulenzentrum der Schön Klinik München konnte Mahmoud Elshamly seine chirurgischen Fertigkeiten bei Christoph Siepe im Bereich endoskopische Wirbelsäulenchirurgie vertiefen.
Diese Arbeit entstand im Karl Chiari Lab for Orthopaedic Biology unter der Leitung von Stefan Tögel an der Universitätsklinik für Orthopädie und Unfallchirurgie in Kooperation mit dem Institut für Physiologische Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität München.
Galektin-1 ist mit Degenerationsprozessen der Bandscheibe assoziiert
Ein hoher Prozentsatz der Bevölkerung leidet aktuellen Statistiken zufolge unter Rückenschmerzen, die oft durch degenerative Veränderungen der Bandscheiben verursacht werden. Wie auch in der Arthrose von Großgelenken sind die glykobiologischen Zusammenhänge bei der Entstehung degenerativer Veränderungen der Bandscheibe nahezu unbekannt.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die Expression von Galektin-1 und Galektin-3 in Bandscheiben und ihre Korrelation mit der radiologischen und histologischen degenerativen Veränderung sowie mit der mechanischen Belastung zu bewerten, sowie die Rolle von Galektin-1 und -3 in den Pathomechanismen der Bandscheibendegeneration zu untersuchen.
In die Untersuchung wurden Gewebeproben von PatientInnen mit degenerativen Lendenwirbelsäulenerkrankungen (Spondylochondrose, Deformität, oder Spondylolisthese) eingeschlossen. Immunhistochemische Analysen zeigten, dass Galektin-1 und Galektin-3 in verschiedenen Teilen der degenerativen Bandscheibe vorhanden sind, jedoch unterschiedliche Verteilungsmuster haben. Die Expression beider Galektine korrelierte mit dem radiologischen und histologischen Grad der Degeneration, wobei nur Galektin-3 mit dem Alter der PatientInnen korrelierte. Der Befund, dass die Präsenz von Galektin-1 und Galektin-3 nicht miteinander korrelierten, deutete bereits auf eine unterschiedliche Funktionalität der beiden Galektine hin.
Mittels kultivierter Bandscheibenzellen, die aus Proben von PatientInnengeweben isoliert wurden, konnte gezeigt werden, dass beide Galektine von diesen Zellen sezerniert und an Glykanstrukturen an den Zelloberflächen gebunden werden.
Die Effekte der Bindung von rekombinantem Galektin-1 und Galektin-3 wurden daraufhin auf mRNA und Proteinebene untersucht. Interessanterweise zeigte sich dabei, dass Galektin-1 – nicht jedoch Galektin-3 – die Aktivierung des NF-κB Signalwegs sowie die Expression von Markern der Degeneration (IL-6, IL-8, MMP-1, MMP-3, MMP-13) induziert.
Die vorliegende Studie untermauert das Konzept des „Zuckercodes“ und dessen Relevanz für degenerative Erkrankungen des Bewegungsapparates. Die Daten belegen den funktionellen Unterschied auf Bandscheibenzellen zwischen Galektin-1 und Galektin-3, zwei Vertretern der Galektinfamilie mit unterschiedlicher Proteinarchitektur und Glykanspezifität. Dabei wurde Galektin-1 als Stimulator von Entzündungsfaktoren und matrixabbauender Enzyme identifiziert. Weiterführende Untersuchungen werden weitere Galektine, wie zB Galektin-8, einschließen und die Möglichkeit einer Inhibierung der Galektinaktivität durch neue Galektinvarianten prüfen.
Zur Person
Mahmoud Elshamly wurde 1987 in Ägypten geboren und maturierte dort 2003 an der Salam Modern School. Danach studierte er von 2004 bis 2010 Humanmedizin an der Universität Ain Shams in Kairo. Elshamly absolvierte seine Masterarbeit an der Donau-Universität im Jahr 2018 unter Supervision von Josef Grohs und verfasste im Anschluss seine Dissertation an der Medizinischen Universität Wien im Rahmen des Doktoratsstudiums „Bones and Joint Regeneration“ im Karl Chiari Lab for Orthopaedic Biology unter Supervision von Stefan Tögel. 2019 schloss er seine Ausbildung zum Facharzt für Orthopädie und Traumatologie ab und erhielt das Diplom für Manuelle Medizin der Österreichischen Ärztekammer. Mahmoud Elshamly ist verheiratet und Vater eines Sohnes.
Referenzen
[1] Weinmann D, Kenn M, Schmidt S, et al. Galectin-8 induces functional disease markers in human osteoarthritis and cooperates with galectins-1 and -3. Cell Mol Life Sci. 2018;75(22):4187-4205. doi:10.1007/s00018-018-2856-2.
[2] Elshamly M, Kinslechner K, Grohs JG, et al. Galectins-1 and -3 in Human Intervertebral Disc Degeneration: Non-Uniform Distribution Profiles and Activation of Disease Markers Involving NF-κB by Galectin-1. J Orthop Res. 2019;37(10):2204-2216. doi:10.1002/jor.24351.