Optimierung kardiomyozytärer Umbauprozesse durch Aktivierung gezielter Signalkaskaden

Abstract

Adulte ventrikuläre Ratten-Kardiomyozyten lassen sich isolieren und unter FCS-haltigen Bedingungen über einen längeren Zeitraum kultivieren. Hierbei lässt sich ein Anpassungsprozess beobachten, der mit der Degradation des kontraktilen Apparats und dem morphologischen Abrunden der Kardiomyozyten beginnt. Im weiteren Verlauf kommt es zur Reorganisation des kontraktilen Apparats und zur Ausbildung von Pseudopodien. Die vorliegende Untersuchung widmet sich den ersten 48 Stunden in Kultur, die durch das Abrunden der Kardiomyozyten gekennzeichnet sind. Es konnte gezeigt werden, dass es sich dabei um einen aktiven Vorgang handelt, der als notwendiger initialer Schritt im Ablauf verstanden werden kann. FCS kann als Trigger des Anpassungsprozesses durch die Stimulation alpha-1-adrenerger Rezeptoren durch Phenylephrin ersetzt werden. Die Stimulation alpha-1-adrenerger Rezeptoren resultiert in vitro als auch in vivo in kardiomyozytärer Hypertrophie. Dies bekräftigt die Vorstellung, dass isolierte adulte Kardiomyozyten ein geeignetes Modell darstellen, die kardiomyozytäre hypertrophe Adaptation unter Bedingungen pathologisch gesteigerter hämodynamischer Belastung zu untersuchen, die durch erhöhte Katecholaminspiegel gekennzeichnet sind. Zudem unterstreicht es die Annahme, dass das kardiomyozytäre Remodelling als ein komplexer Vorgang der De- und anschließenden Redifferenzierung zu verstehen ist. Die Degradation des kontraktilen Apparats bedarf der Aktivierung des Proteasoms über die verstärkte Synthese der induzierbaren Untereinheit LMP2. Dies konnte bei spontan hypertensiven Ratten in vivo bestätigt werden. Die verstärkte Expression von LMP2 fällt hier zeitlich mit der adaptiven Phase der Hypertrophie bei kompensierter Herzleistung zusammen. Der Aktivierung der p38-MAPK kommt eine große Bedeutung hinsichtlich der zugrunde liegenden Signalweiterleitung zu. Ihre Inhibition mittels SB-202190 konnte sowohl die verstärkte Synthese von LMP2 als auch den Prozentsatz an abgerundeten Kardiomyozyten signifikant reduzieren.Schließlich konnte gezeigt werden, dass einkernige Kardiomyozyten anpassungsfähiger sind als mehrkernige Kardiomyozyten. Mehrkernige Kardiomyozyten gehen aus einkernigen Kardiomyozyten hervor und scheinen darüber einen Teil ihres Adaptationsvermögens eingebüßt zu haben. Das adaptive Potential eines Herzens steckt demnach in seinen einkernigen Kardiomyozyten. Mit zunehmendem Alter sinkt das kardiomyozytäre Anpassungsvermögen.

Adult ventricular cardiomyocytes can be isolated and cultured over a longer period of time on condition that the culture media contains fetal calf serum (FCS). Is this the case a process of adaptation can be observed, that starts with the degradation of the cardiomyocytes contractile apparatus accompanied by the rounding of the former rod-shaped cells. With the passage of some days a reorganization of the contractile apparatus and the formation of pseudopodia-like structures can be witnessed. This study focuses on the first 48 hours of culture and the cardiomyocytes rounding. We could identify the rounding as an active process and an inevitably first step in the adaptation. Phenylephrin as an alpha-1-adrenergic receptor agonist can replace FCS as its trigger. Stimulation of alpha-1-adrenergic receptors leads to cardiomyocytes hypertrophy in vitro and in vivo. Therefore, isolated adult cardiomyocytes seem to be fitting to study cardiomyocytes hypertrophic adaption to pathologically elevated hemodynamic stress in vivo, which is accompanied by elevated catecholamine levels. Under this assumption the hypertrophic adaption can be understood as a sequence consisting of initial dedifferentiation and subsequent redifferentiation. Degradation of the contractile apparatus requires the induction of proteasomal subunit low molecular weight protein (LMP) 2. This finding could be confirmed in spontaneously hypertensive rats in vivo. The induction of LMP2 coincides with the adaptive phase of hypertrophy with preserved cardiac performance. Activation of p38 mitogen-activated protein kinase (p38-MAPK) is of importance for the underlying signaling pathway. p38 pathway inhibitor SB-202190 could significantly reduce the induction of LMP2 as well as cardiomyocytes rounding. Finally, we could show that mono-nucleated cardiomyocytes have a greater adaptive capacity than bi-nucleated cardiomyocytes. Bi-nucleated cardiomyocytes originate from mono-nucleated cardiomyocytes and appear to have lost part of their adaptive capacity thereby. One s cardiac adaptive potential therefore lies within its mono-nucleated cardiomyocytes. With age cardiomyocytes capacity to adapt decreases.