Mechanische und humorale Stimulation von kardialen Myozyten

Abstract

Mechanische und humorale Faktoren werden unter anderem für die Entwicklung der Hypertrophie von Muskelzellen verantwortlich gemacht. UnterHypertrophie versteht man die Größenzunahme eines Gewebes oder Organs durch Zellvergrößerung bei konstanter Zellzahl und -struktur. Sie istdamit gegenüber der Hyperplasie abzugrenzen, die mit einer Erhöhung der Zellzahl einhergeht. Die Hypertrophie ist im Herzen des Erwachsenenbei der Adaption des Organs an verschiedene pathologische Bedingungen wie Infarzierung oder Hypertonie von entscheidender Bedeutung, da dieTeilung der Herzmuskelzellen in der Zeit nach der Geburt sistiert. Daher wurde die Wirkung verschiedender Wachstumsfaktoren auf die Initiationzellulärer Hypertrophie in Kulturen von isolierten Kardiomyozyten getestet, und mit Hilfe der elektrischen Feldstimulation der Einfluß mechanischerAktivität auf das Wachstum der Zellen untersucht. Die getesteten Faktoren Insulin ähnlicher Wachstumsfaktor (IGF I&II), Fibroblasten Wachstumsfaktor (FGF 1&2), Leukämiezellen inhibierenderFaktor (LIF), Interleukin 11 (IL-11) und der Transformierende Wachstumsfaktor b1 (TGF-b1) waren nicht in der Lage, eine Hypertrophieentwicklungder Zellen zu bewirken (Proteingehalt nach 8 Tagen: IGF 77%, FGF 102%, LIF 64%, IL-11 40%, TGF-b1 78% der 2 Tage alten Kontrolle). Erst dieKombination von Wachstumsfaktoren wie sie in fetalem Kälberserum (FCS) und Endothelzell Wachstumszusatz (ECGS) vorliegt, konnte einenAnstieg an zellulärem Protein bewirken (FCS 110%, ECGS 118%). Die Zellen in Kulturen mit hoher Syntheseleistung (IGF 212%, ECGS 385%, FCS 700%) veränderten ihre Morphologie sehr stark, indem sieabflachten und die Oberfläche vergrößerten. Zellen mit niedriger Syntheseleistung gelang diese Adaption nur in weit geringerem Maße (FGF 162%,LIF 135%, IL-11 133%, TGF-b1 57%); ihre längliche Form blieb weitgehend erhalten. Eine Sonderstellung in diesem Zusammenhang nahm TGF-b1ein. Hatte es bei alleiniger Zugabe einen nur geringen Einfluß auf die Morphologie der Zellen, zeigte es in Kombination mit ECGS eine Suppressionder ECGS-typischen adaptiven Wirkung. Die Proteinsyntheseerhöhung unter ECGS ging zurück (von 385 auf 228% der Kontrolle), der Proteingehaltstieg vergleichbar an (116%) und der strukturelle Umbau wurde blockiert. Ausgehend von der Beobachtung, daß eine Beschleunigung der durch ECGS- oder FCS- induzierten Hypertrophieentwicklung mit spontanerkontraktiler Aktivität einsetzt, wurde die Hypothese getestet, daß myokardiale Erregung und Kontraktion zu zellulärer Hypertrophie führt. In Kulturenvon adulten Kardiomyozyten, die für 24h elektrisch stimuliert wurden, war die Synthese (128,5%), der Gehalt (119,4%) and totaler Ribonukleinsäure(RNA) und die Proteinsynthese im Vergleich zur 24h kultivierten Kontrolle erhöht (162%). Der Proteingehalt veränderte sich nicht (94%). DieseBefunde stehen im Gegensatz zu Arbeiten von Kaye et al., die eine Hypertrophieentwicklung der Zellen unter Feldstimulation beschreiben. Siepostulierten als Mechanismus dieses Wachstums eine autokrine Stimulation durch FGF-2, das unter mechanischer Aktivität freigesetzt wird. Daherhaben wir in der vorliegenden Arbeit auch die Expression von Wachstumsfaktoren unter elektrischer Feldstimulation untersucht. DieTranskriptionraten von FGF-1, FGF-2 und dem Rezeptor-1 für FGF (FGF-R1) blieben durch die elektrische Stimulation unbeeinflußt, die von VEGFerhöhte sich signifikant auf 136,6% der Kontrolle. Eine Zugabe des Tyrosinkinaseinhibitors Suramin oder eines spezifischen FGF-2 Antikörpersunter der Vorstellung einer verminderten FGF-Wirkung Wachstumsfaktor bewirkte keine Reduktion der beschriebenen Veränderungen auf RNA- undProteinebene. Zusammengefaßt stellte daher die mechanische Aktivtät einen Wachstumsfaktor dar, der primär eine Adaption der Zellen an dieKultur im Sinne einer Dedifferenzierung bewirkt, aber nicht zur Hypertrophie der Zellen führt. Aus der vorliegenden Arbeit schließen wir, daß Hypertrophie ein komplexer Prozess ist, der die Interaktion verschiedener humoraler undmechanischer Wachstumsfaktoren vorraussetzt. Einzelne rekombinante Wachstumsfaktoren waren nicht in der Lage eine Hypertrophie derHerzmuskelzellen hervorzurufen. Die verschiedenen humoralen und mechanischen Stimuli beeinflussten nur Teile des Proteinumsatzes inkardialen Myozyten. Durch die sehr unterschiedlichen Wirkungspektren behindern oder verstärken sich die Faktoren in Ihrer Wirkung. Während IGFzu einer starken Dedifferenzierung der Zellen führte, die durch eine hohe Proteinsynthese und Degradation gekennzeichnet war, konnte TGF-b1 alsDifferenzierungshormon identifiziert werden, das eine durch ECGS induzierte Dedifferenzierung verhinderte. Daher ist zu vermuten, das dieeinzelnen Wachstumsfaktoren auf Ebene der Signaltransduktion interagieren und erst in einer geeigneten Kombination in der Lage sind, zelluläreHypertrophie hervorzurufen.