Effects of oxygen oscillations on human myocardial and endothelial cell cultures

Das akute Lungenversagen hat eine Mortalitätsrate von 35-46%, häufig auf Basis eines sekundären Multiorganversagens. Während das klassische Konzept die systemische Inflammation als Ursache für sekundäre Organschäden beschreibt, werden Sauerstoffoszillationen, welche durch die Blutbahn zu Endorganen fortgeleitet werden, aktuell als Pathomechanismus in Betracht gezogen. Intermittierende hypoxische Situationen treten zudem auch beim obstruktiven Schlafapnoesyndrom auf. Obwohl sich die zugrundeliegenden Mechanismen unterscheiden, kommt es bei beiden Syndromen zu sekundären Organschäden. Aufgrund der eingeschränkten Gasdiffusion in herkömmlichen Zellkulturmodellen, sind die Auswirkungen auf zellulärer Ebene noch unzureichend untersucht. Aus diesem Grund hatte die vorliegende Doktorarbeit zum Ziel die Effekte von Oszillationen auf humane Endothelzellen aus Nabelschnüren (human umbilical vein endothelial cells, HUVECs) sowie humane adulte Kardiomyozyten (human adult cardiomyocytes, HACMs) in in vitro Experimenten zu analysieren. In vier einzelnen Projekten wurden HUVECs und HACMs in einem neu entwickelten Bioreaktor unterschiedlichen Sauerstoffbedingungen ausgesetzt. Die Analysen erfolgen zu Beginn sowie nach definierten Expositionszeitpunkten in Hinblick auf die Freisetzung von Interleukinen, Zellzytotoxizität, -vitalität und der Expression von Genen und Proteinen. Die intermittierende (0-21% O2) und konstante schwere Hypoxie (0%) führte in HACMs zur Zellschädigung und Inflammation. Desweiteren wurde ein Unterschied in der Expression von Genen des oxidativen Stresses sowie der Signalisierung von Hypoxie unter repetitiver Hypoxie detektiert. Die moderate Hyperoxie (40%) und zyklische Anoxie/moderate Hyperoxie (0-40%) induzierten in HUVECs Apoptose und Nekrose. Weiters aktivierte die wiederkehrende Anoxie/moderate Hyperoxie kompensatorische Mechanismen der Zellregulierung. Die intermittierende (5-95%) und die konstante schwere Hyperoxie (95%) hatten in HUVECs und HACMs Zellschädigung und die Freisetzung von Zytokinen zur Folge. In der vorliegenden Arbeit führten die Oszillationen zur Zellschädigung und Freisetzung von inflammatorischen Zytokinen in HUVECs und HACMs. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Sauerstoffschwankungen für die schädlichen Folgen im Rahmen des akuten Lungenversagens und dem obstruktiven Schlafapnoesyndrom verantwortlich sein könnten.The acute respiratory distress syndrome has a mortality rate of around 35-46%, mostly due to secondary multi-organ failure. Whereas the classical concept describes the systemic inflammatory response as the potential cause for this failure, oxygen oscillations, which are forwarded to the organs with the bloodstream, are currently considered as a novel patho-mechanism. Additionally, repetitive hypoxic episodes can be detected in patients suffering from obstructive sleep apnea syndrome. Although the underlying mechanisms differ, both syndromes induce secondary organ failure. However, due to the limitation of gas diffusion in a conventional cell-culture model, the effects at the cellular level have not been hitherto adequately investigated. Therefore, the present PhD thesis was aimed at analyzing the effects of oxygen oscillations in cultures of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and human adult cardiomyocytes (HACMs) in in vitro experiments. In four separate projects, HUVECs and HACMs were exposed to various oxygen concentrations using a novel bioreactor. Measurements were performed before intervention as well as after an exposure of defined lengths with regard to the release of interleukines, cell cytotoxicity, -viability, and the pattern of expression of genes and proteins. It was demonstrated in HACMs that intermittent (0-21% O2) and constant severe hypoxia (0%) resulted in cell injury and inflammation. Moreover, gene regulation was modified for hypoxia signaling and oxidative stress under repetitive hypoxia. In addition, moderate hyperoxia (40%) and cyclic anoxia/moderate hyperoxia (0-40%) in HUVECs induced apoptosis and necrosis in comparison to constant anoxia (0%). Furthermore, recurrent anoxia/moderate hyperoxia activated compensatory mechanisms for cell survival. Additionally, intermittent (5-95%) and constant hyperoxia (95%) in cultures of HUVECs and HACMs demonstrated cell injury and cytokine release. In the present work, intermittent hypoxia and hyperoxia induced in HUVECs and HACMs cell death and an inflammatory response. These experiments indicated that oscillations of oxygen, which are present in patients suffering from acute respiratory distress syndrome and obstructive sleep apnea, may be responsible for the detrimental effects in the context of multi-organ failure.submitted by Christina Maria HafnerAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2017OeBB(VLID)246738