Auswirkung eines Knockouts des Protein-Phosphatase-Inhibitor-1 auf den Verlauf der druckinduzierten Herzinsuffizienz in Mäusen

Aims Protein Phosphatase Inhibitor 1 (I-1) functions as an amplifier of the β-adrenergic cascade in cardiomyocytes. Once activated via PKA, I-1 specifically blocks PP-1-mediated dephosphorylation of phospholamban and the ryanodine receptor-1. In heart failure I-1 activity as well as its expression is significantly reduced. It is still unclear whether this adaptation is protective or detrimental. This work aims at examining the impact of I-1 depletion on the course of pressure-induced heart failure, more precisely on acute and long-term mortality, on cardiac morphology and function and on expression levels of hypertrophy markers. Results may help evaluating the benefit of putative I-1 inhibiting substances in the therapy of heart failure. Methods and Results 25 I-1KO and 28 WT mice (C57Bl/6J, age- and sex-matched) underwent transverse aortic constriction (TAC). Cardiac function was assessed via transthoracic echocardiography prior to the intervention and weekly afterwards. Additionally, mice were exposed to β-adrenergic stimulation by injection of dobutamine once prior to TAC and two times afterwards, each controlled by echocardiography. For male mice acute survival was significantly increased in WT compared to I-1KO, whereas the mortality of surviving animals did not differ during the investigation period. For female mice no difference was seen in acute mortality after TAC, but during heart failure progression I-1KO revealed a significantly better survival. Prior to TAC contractility in I-1KO after application of dobutamine was significantly lower than in WT. This effect was mainly induced by female mice. Overall female mice of both WT and I-1KO showed smaller increases in heart rate (HR) and stroke volume (SV) when stimulated. In contrast, following TAC neither line- nor sex-dependent differences were found according to β-adrenergic stimulation. The comparison of hypertrophy markers in control groups revealed clearly decreased levels for I-1KO compared to WT. Conclusion In pressure-induced heart failure, I-1 knockout alters cardiac contractility and modulates mortality in a phase- and sex-dependent way. The depletion is detrimental for male mice in the acute phase of cardiac stress, whereas it is protective for female mice during heart failure progression. The increased mortality in the acute phase might result from the loss of I-1 as an amplifier of β-adrenergic signaling as this leads to a restriction of contractile adaptation. The increased survival in heart failure progression might be caused by a reduced transmission of pathologically increased sympathetic activity on the SR due to the depletion of I-1. Additionally, hypertrophy marker analyses point to differences in expression levels even under non-pathological conditions.Ziel Der Proteinphosphatase-Inhibitor I-1 wirkt als ein Verstärker der β-adrenergen Kaskade in Kardiomyozyten. Nach PKA-abhängiger Phosphorylierung hemmt er spezifisch die Dephosphorylierung von PLB und RYR-2 durch die Proteinphosphatase-1. Im Rahmen einer Herzinsuffizienz sind sowohl Aktivität als auch Expression von I-1 deutlich reduziert. Hierbei ist unklar, ob dies eine protektive oder eine schädliche Adaption der β-adrenergen Kaskade darstellt. Diese Arbeit untersucht den Einfluss einer Depletion des I-1 (I-1KO) im Rahmen der druckinduzierten Herzinsuffizienz auf die akute bzw. auf die langfristige Mortalität, auf die kardiale Morphologie und Funktion sowie auf die Expression typischer Hypertrophiemarker. Hieraus sollen Erkenntnisse über den Nutzen der Verwendung putativ I-1 inhibierender Substanzen in der Behandlung der Herzinsuffizienz gewonnen werden. Methoden und Resultate 25 I-1KO- sowie 28 WT-Mäuse (C57Bl/6J, age and sex matched) erhielten eine Transverse Aortic Constriction (TAC). Die kardiale Funktion wurde einmalig vor der Intervention sowie danach wöchentlich mittels TTE untersucht. Zusätzlich wurden die Tiere einmalig vor TAC und zweimalig danach unter echokardiographischer Kontrolle mittels Dobutamin β-adrenerg stimuliert. Für die männlichen Tiere zeigte sich in den ersten Tagen nach TAC eine signifikant erhöhte Überlebensrate des WT gegenüber I-1KO. Die Mortalität der überlebenden männlichen Tiere unterschied sich hingegen nicht über den Versuchszeitraum. Für die weiblichen Tiere bestand kein Unterschied in der akuten Sterblichkeit nach TAC, während sich im Verlauf eine signifikant bessere Überlebensrate der weiblichen I-1KO gegenüber WT zeigte. Vor TAC wurde eine signifikant herabgesetzte Kontraktilität (FAS) des I-1KO unter Dobutamin festgestellt, der im Wesentlichen durch die weiblichen Tiere bewirkt wird. Insgesamt zeigten die weiblichen Tiere beider Linien unter β-adrenerger Stimulation eine geringere Zunahme von Herzfrequenz (HR) und Schlagvolumen (SV). Hingegen waren nach TAC keine linien- oder geschlechtsabhängigen Unterschiede unter Dobutamingabe feststellbar. Ein Vergleich der Hypertrophiemarker in der Kontrollgruppe zeigte für I-1KO ein deutlich vermindertes Niveau der Marker gegenüber WT. Ergebnis Der I-1-Knockout verändert die kardiale Kontraktilität und wirkt sowohl in phasen- als auch in geschlechtsabhängiger Weise auf die Mortalität infolge druckinduzierter Herzinsuffizienz. Er ist nachteilig für männliche Tiere in der akuten Phase kardialer Belastung, während er für weibliche Tiere im weiteren Verlauf protektive Wirkung entfaltet. Eine erhöhte Mortalität in der akuten Phase kann durch den Ausfall der Verstärkerfunktion des I-1 erklärt werden, da hiermit eine Einschränkung der akut notwendigen kontraktilen Adaptionsfähigkeit einhergeht. Ein Überlebensvorteil bei chronischer kardialer Belastung könnte darauf zurückzuführen sein, dass die pathologisch erhöhte sympathische Aktivierung der β-adrenergen Kaskade infolge der I-1-Depletion eine geringere Auswirkung auf die Zielstrukturen des aktivierten I-1 am Sarkoplasmatischen Retikulum hat. Darüber hinaus lassen die Analysen der Hypertrophiemarker eine veränderte Genexpression zwischen I-1KO und WT auch unter nicht-pathologischen Bedingungen vermuten