On the influence of counterpulsation therapy, treadmill running and PPARγ agonists on leukocyte telomere biology and collateral artery growth

Hintergrund: Arteriogenese (arterielles Kollateralwachstum) ist ein effektiver endogener Kompensationsmechanismus für arterielle Gefäßstenosen und lässt sich therapeutisch durch Gefäßsport, Gegenpulsationsverfahren oder pharmakologische Stimulation steigern. Leukozyten und insbesondere mononukleäre Zellen steuern die lokalen Umbauvorgänge der Arteriogenese am Gefäß parakrin. Wird ihre Regeneration im Knochenmark oder ihre Einwanderung in den perivaskulären Raum gestört, so findet kein effektives Kollateralwachstum statt. Diese Arbeit untersucht die Effekte von Gegenpulsationstherapie (Individuelle Scherraten Therapie, kurz ISRT) und Laufbandtraining auf die leukozytäre Telomerbiologie als Parameter der zellulären Teilungs- und Regenerationsfähigkeit. Zudem wird tierexperimentell evaluiert, ob eine pharmakologische PPARγ-Aktivierung Auswirkungen auf grundlegende Mechanismen der Arteriogenese hat. Methoden: In einer klinischen Studie (ISRT-1) wird der Effekt von 30 min Laufbandtraining sowie 45 min ISRT auf die Telomeraseaktivität mononukleärer Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) in 26 Probanden (Alter: 23,3 Jahre; m = 13, w = 13) ohne relevante Vorerkrankungen untersucht. Eine zweite Studie (ISRT-2) hat zum Ziel die Effekte von Kurz- (45 min) und Langzeit-ISRT (30 h) auf die PBMC Telomeraseaktivität sowie auf die Expression telomerprotektiver Gene in 14 pAVK-Patienten (Alter: 63,5 Jahre; m = 12, w = 2) zu beleuchten. Um den Effekt von Pioglitazon, einem PPARγ-Agonisten, auf das zerebrale Kollateralwachstum zu evaluieren, werden männliche Sprague-Dawley Ratten gemäß dem 3-Gefäßverschlussmodell (3-VO) operiert, mit Pioglitazon behandelt und anschließend histologisch untersucht. Ergebnisse: In der ISRT-1 Studie konnte nach 30 min Laufbandtraining eine signifikante Steigerung der PBMC Telomeraseaktivität nachgewiesen werden. In der ISRT-2 Studie kam es zu einer signifikanten Erhöhung der PBMC Telomeraseaktivität nach 30 h ISRT, sowie zu einer Steigerung der mRNA-Expression des telomerprotektiven Faktors TRF2. Zudem konnte nach 30 h ISRT eine signifikante Steigerung der absoluten Gehstrecke bei pAVK-Patienten beobachtet werden. Im Tierexperiment konnte eine Hemmung der zerebralen Arteriogenese durch Pioglitazon nachgewiesen werden. Insbesondere zeigte sich hier in der histologischen Auswertung eine verminderte Endothelaktivierung sowie eine verminderte Transmigration von Monozyten in den perivaskulären Raum. Diskussion: Diese Arbeit zeigt erstmalig, dass eine Steigerung der PBMC Telomeraseaktivität bereits durch eine einzige Einheit Laufbandtraining erreicht werden kann. Ebenso wird erstmalig eine Verbindung von Gegenpulsationsverfahren zur leukozytären Telomerbiologie hergestellt. Gegenpulsationsverfahren haben langfristig neben der Induktion von Arteriogenese telomerprotektive Effekte. Die Modulation von Inflammationsprozessen durch PPARγ-Agonisten führt dagegen zu einer Inhibierung grundlegender Mechanismen der Arteriogenese. Hierbei kommt der fehlenden Aktivierung von Monozyten eine entscheidende Rolle zu.Background: Arteriogenesis (collateral growth) constitutes an important biological mechanism to compensate for arterial stenoses and occlusions. Arteriogenesis can be induced therapeutically by exercise, counterpulsation therapy or by pharmacological stimulation. The underlying physiological processes are governed by leukocytes (in particular mononuclear cells), which invade the perivascular space and release growth hormones. Therefore, arteriogenesis depends on leukocyte regeneration in the bone marrow and leukocyte transmigration in the perivascular space. Consequently, arteriogenesis remains ineffective, if either of these two mechanisms is impaired. It is the aim of this work to evaluate how acute exercise and counterpulsation therapies influence leukocyte telomere biology, which is an emerging parameter of the regenerative potential of the immune system. Additionally, it will be investigated how the activation of PPARγ interferers with basic mechanism of arteriogenesis Methods: In the first presented clinical study (ISRT-1) the effect of 30 min of treadmill exercise and of 45 min of adapted counterpulsation treatment (individual shear rate therapy, ISRT) on the telomerase activity of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) is evaluated in 26 apparently healthy individuals (Age 23,3 years; m = 13, f = 013). In the second trial (ISRT-2) the effect of short-term (45 min) and long- term (30 h) ISRT on PBMC telomerase activity and on the expression of telomere protective genes is investigated in 14 patients with peripheral artery disease (Age: 63,5 years; m = 12, f = 2). Male Sprague-Dawley rats are used to examine how the pharmacological activation of PPARγ by Pioglitazone interferes with cerebral arteriogenesis in the 3-vessel occlusion model (3-VO). Results: In the young and healthy population of the ISRT-1 study, a significant augmentation of PBMC telomerase activity was observed already upon 30 min of treadmill exercise. In the ISRT-2 study, a significant augmentation of PBMC telomerase activity as well as of the mRNA Expression of TRF2 was detected upon 30 h of ISRT. Additionally, the absolute claudication distance increased significantly upon 30 h of ISRT in our patients with peripheral artery disease. The performed animal studies revealed an inhibition of cerebral arteriogenesis upon Pioglitazon treatment. Particularly endothelial activation as well as transmigration of monocytes into the perivascular space were impaired. Discussion: This work shows for the first time, that a single exercise session is sufficient to increase leukocyte telomerase activity. Furthermore, first evidence for a link between counterpulsation therapy and leukocyte telomere biology is provided. Counterpulsation therapy not only enhances the peripheral perfusion by induction of arteriogenesis, but may upon long-term application improve parameters of telomere maintenance comparably to exercise training. The modulation of inflammatory processes by PPARγ agonists impairs basic mechanisms of arteriogenesis, for example the activation of monocytes