Mechanismen der Toll-like Rezeptor 2-vermittelten Myokardschädigung nach Ischämie und Reperfusion in der Maus

Abstract

Der Myokardinfarkt ist immer noch eine der häufigsten Todesursachen in Deutschland. Als Therapie der Wahl gilt die möglichst zeitnahe Reperfusion des ischämischen Gebiets. Bei der Reperfusion tritt das sogenannte Reperfusionssyndrom auf. Dabei kommt es im Verlauf der Wiederdurchblutung des ischämischen Gebietes zu einer weiteren Schädigung des Gewebes. Das Reperfusionssyndrom ist unter anderem durch eine massive Inflammation charakterisiert. Bis heute wurden verschiedene Ansätze gewählt, um die myokardiale Schädigung nach Ischämie/Reperfusion zu reduzieren. Bislang konnte jedoch keiner dieser Ansätze im klinischen Alltag zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Ein neuer, vielversprechender Ansatz ist die Modulation von Toll-like Rezeptor 2 (TLR2), einem Rezeptor des angeborenen Immunsystems. Wir und andere konnten zeigen, dass die genetische Defizienz von TLR2 und die Inhibition von TLR2 bei Myokardinfarkt und Reperfusion unter anderem zu einer Reduktion des myokardialen Schadens führen. Toll-like Rezeptoren sind sogenannte pattern recognition receptors, welche mikrobielle Strukturen erkennen. Neben diesen exogenen Liganden erkennen TLRs auch endogene Liganden, die im Verlauf pathophysiologischer Prozesse freigesetzt werden. Nach Bindung eines Liganden an TLR2 wird eine Signalkaskade aktiviert, welche zu der Aktivierung überwiegend proinflammatorischer Mediatoren führt. Da bislang nicht bekannt ist, welche endogenen Liganden im Verlauf von Myokardinfarkt und Reperfusion (MI/R) an TLR2 binden, war es Ziel dieser Arbeit, die Rolle eines potentiellen Liganden, dem extrazellulären-Matrix-Molekül Biglykan, zu untersuchen. Biglykan gehört zur Familie der small leucin rich proteoglycans und spielt insbesondere in der Ausbildung der fibrillären Struktur von Kollagen eine wichtige Rolle. Weiterhin wird Biglykan in der Literatur als Ligand für TLR2 in Makrophagen beschrieben. In dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass ein genetischer knockout von Biglykan keine protektiven Effekte nach Myokardinfarkt und 24 Stunden Reperfusion hat und so zumindest als prominentester Ligand nach MI/R ausgeschlossen werden kann. Auffällig war jedoch, dass nach 2-stündiger Reperfusion die TLR2-Proteinexpression bei den Biglykan-defizienten Tieren im Vergleich zum Wildtyp sowohl im Ischämiegebiet als auch in dem Gebiet, das keiner Ischämie ausgesetzt war, signifikant reduziert war. Nach 24-stündiger Reperfusion war dieser Effekt nicht mehr zu detektieren. Bislang konnte nicht geklärt werden, ob die Aktivierung von TLR2 bei MI/R auf infolge der myokardialen Schädigung systemisch zirkulierende Liganden zurückzuführen ist, oder ob die Aktivierung nur durch stationäre Liganden unmittelbar im Herzen erfolgt. Daher sollte in dieser Arbeit das Plasma von Mäusen nach MI/R mit Hilfe der Stimulation verschiedener Zellkultursysteme auf möglicherweise nach MI/R freigesetzte Liganden untersucht werden. Die hier gezeigten Daten sprechen gegen eine systemische Freisetzung von endogenen Liganden, da in keinem der drei getesteten Zellkultursysteme eine Aktivierung von TLR2 nach Stimulation mit Plasma nachweisbar war. Die Aktivierung des Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K)/Akt-Signalwegs spielt eine Rolle in der Aktivierung von Zellwachstum, -differenzierung und -proliferation. Die Literatur gibt Hinweise auf eine Verbindung zwischen der Aktivierung TLR2 und dem PI3K/Akt-Signalweg. Daher sollte hier neben der Frage, wodurch TLR2 bei MI/R aktiviert wird, auch die Bedeutung dieses Signalwegs für die Effekte im TLR2-knockout untersucht werden. Wir konnten zeigen, dass die TLR2-defizienten Tiere im Vergleich mit den WT-Tieren eine signifikant höhere Proteinexpression der Serin-Threonin-Kinase Akt1 aufwiesen. Weiterhin konnten wir nach pharmakologischer Inhibition von Akt zeigen, dass die protektiven Effekte im knockout durch Akt vermittelt werden. TLR2-defiziente Tiere weisen neben einer reduzieren myokardialen Schädigung auch eine deutlich geringere Letalität durch eine reduzierte Inzidenz von Arrhythmien auf. Nicht zuletzt von diesem Hintergrund bietet die Modifikation des TLR2-Signalwegs ein vielversprechendes therapeutisches Konzept. Die hier gezeigten Daten können helfen die der Protektion zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Myocardial ischemia is still one of the leading causes of death in Germany. The therapy of choice is the timely restoration of the myocardial blood flow. In the cause of reperfusion the so called reperfusion injury leads to further damage in the ischemic area. This damage is, among others, caused by a massive inflammation. To this date many approaches have been described to modify the reperfusion injury following myocardial ischemia and reperfusion (MI/R) but so far none of them was successfully translated into clinical practice. A new, very promising approach is the modulation of Toll-like receptor 2 (TLR2). Recently we and others have shown that the genetic knockout of TLR2 or pharmacological inhibition of TLR2 with an antibody results in a reduction of myocardial damage after MI/R. TLRs are receptors of the innate immunity belonging to the family of pattern recognition receptors that recognize microbial components. Upon activation of TLR2 a signal transduction cascade is initiated that causes the release of proinflammatory mediators. Besides exogenous ligands like bacterial wall components, TLRs also recognize endogenous ligands that are released due to pathophysiological processes. Endogenous ligands responsible for activation of TLR2 during MI/R are not identified so far and the underlying mechanisms of protective effects due to TLR2 deficiency are not completely elucidated. Thus, we aimed to elucidate 1) potential ligands responsible for TLR2 activation and 2) the role of the phosphoinositide-3-kinase (PI3K)/Akt pathway for the cardioprotection in TLR2-deficient mice. Since Biglycan is well described as an endogenous TLR2 ligand, we investigated its role during MI/R. Using Biglycan-knockout mice revealed that it had no cardio-protective effects after 30 minutes of myocardial ischemia and 24 hours of reperfusion. Therefore the small leucin rich proteoglycan could be excluded at least as the most prominent ligand for TLR2 during MI/R. So far it remains unclear whether MI/R results in a systemic activation of TLR2 due to circulating ligands after myocardial damage or if the activation of TLR2 remains limited to the injured area of the heart. Hence we intended to test the plasma of mice for the systemic release of endogenous TLR2-ligands in the course of MI/R by the stimulation of different cell-systems. Since we could not observe any TLR2-activation upon stimulation with plasma of operated animals in any of the tested systems the data shown here provide evidence that no endogenous TLR2 ligands are systemically released due to myocardial injury during MI/R.The signal transduction via PI3K/Akt plays a role in the regulation of cell survival and proliferation. Recent studies indicate a link between the activation of TLR2 and the signal transduction pathway via PI3K/Akt. Therefore we aimed to investigate the relevance of this pathway for the protective effects in TLR2-knockout mice after MI/R. We were able to show an increased Akt1-protein expression in TLR2-knockout animals compared to wildtype animals. Additionally we demonstrated that the protective effects in knockout mice are mediated by Akt. Besides the reduced myocardial damage, TLR2-deficient mice reveal a reduction in the incidence of lethal arrhythmias. These findings point out that modification of the TLR2-pathway provides good potential for a promising therapeutic concept. The data presented can help to understand the underlying mechanisms.