Untersuchung des Einflusses biomechanischer Dehnung auf den Phänotyp venöser und arterieller glatter Gefäßmuskelzellen

Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen nach wie vor mit Abstand die Haupttodesursache in der westlichen Welt dar. Daher ist ein besseres Verständnis der Ursachen und Prozesse, die zur Entstehung und dem Verlauf dieser Erkrankungen beitragen, essentiell für die Entwicklung neuer Therapiestrategien. Biomechanische Kräfte, wie z.B. eine Erhöhung der Gefäßwandspannung sind von entscheidender Bedeutung für die Initiierung von pathophysiologischen Remodellierungsprozessen in Gefäßen, wie z.B. dem Hypertonie-induzierten arteriellen Gefäßumbau oder der Bildung variköser Venen. Ziel dieser Arbeit war es, mehr über die diesen Remodellierungsprozessen zugrundeliegenden molekularen und zellulären Mechanismen herauszufinden. Durch Verwendung eines Mausmodells, bei dem durch Ligation einer Vene der Ohrmuschel der Veneninnendruck erhöht wird, konnten histologische und anatomische Anpassungs-vorgänge in der Wand der remodellierenden Venen beobachtet werden, die solchen in varikös veränderten Venen sehr ähnlich sind. So ergaben die entsprechenden ex vivo und in vitro-Analysen, dass die Proliferationsaktivität generell sowie die Expression und Aktivität der Matrixmetalloproteinase 2 (MMP2) in den Endothel- und glatten Muskelzellen der druckbelasteten und insofern überdehnten Venenwand signifikant erhöht ist. Bei diesem Umbauprozess kommt dem Transkriptionsfaktor Aktivator Protein-1 (AP-1) und insbesondere dessen Untereinheit Junb offenbar eine wichtige Rolle zu, da die Neutralisierung des Transkriptionsfaktors mithilfe eines Decoy-Oligodesoxynukleotids (dODN) sowie der Verlust der Junb-Untereinheit die zuvor genannte proteolytische Aktivität nachhaltig verhindert. Ein Vergleich des Phänotyps der Gefäßwandzellen im Ohrmuschel-Mausmodell mit dem in humanen Varizen unterstreicht darüber hinaus, dass durch den verwendeten in vivo Ansatz erstmalig entscheidende Prozesse der Varizenbildung beim Menschen in einem Tiermodell dargestellt werden konnten und dieses insofern eine interessante Option für die Testung neuartiger Präventions- bzw. Therapiestrategien darstellt. Bei der Beantwortung der Frage, inwieweit AP-1 oder Junb auch bei Hypertonie-induzierten Remodellierungsprozessen in Arterien bzw. Arteriolen von Bedeutung sind, zeigte sich u. a., dass Junb-defiziente Mäuse keinen Bluthochdruck nach Gabe von Deoxycorticosteronacetat (DOCA)-Salz entwickeln. Auch die, mit der in diesem Modell normalerweise auftretenden Hypertonie assoziierten Adaptationsprozesse wie z.B. eine Linksherzhypertrophie blieben in den Junb-defizienten Mäusen aus. Ursache hierfür ist offenbar eine verminderte Fähigkeit der arteriellen glatten Muskelzellen zur Kontraktion, die auf eine deutlich verringerte Expression der leichten Kette des Myosins (MLC2), dem Schlüsselprotein für die dynamische Kontraktion dieser Zellen, zurückzuführen ist. Aus diesen Tieren isolierte Arterien zeigten des Weiteren eine deutlich Änderung in der Zusammensetzung ihrer extrazellulären Matrix, die Ausdruck einer Kompensation ihrer reduzierten Kontraktilität sein könnte. Junb ist daher in diesem Zusammenhang ein entscheidender Faktor für die glattmuskulärer Kontraktilität, da es u.a. die Expression von MLC2 direkt kontrolliert. Interessanterweise war in den Junb-defizienten Mäusen, trotz des verminderten MLC2-Spiegels, der basale Blutdruck und damit der Gefäßwiderstand praktisch unverändert. Auf der Suche nach Faktoren, welche die Kontraktionsfähigkeit der glatten Gefäßmuskelzellen positiv beeinflussen, zeigte sich in einem DNA-Microarrayansatz eine nahezu zehnfache Hochregulation der mRNA-Expression für Regulator of G-Protein Signalling 5 (RGS5), einem RGS-Protein für das ein Zusammenhang mit der Blutdruckregulation bereits beschrieben worden ist. Detaillierte Analysen der Funktion von RGS5 ergaben, dass dessen adenovirale Überexpression in glatten Gefäßmuskeln die über den Gq/11-PLCbeta-IP3-Signalweg vermittelte Kalziummobilisierung blockiert und die G12/13-Rho-Kinase-vermittelte Bildung von Stressfasern dagegen fördert. In Übereinstimmung damit führte der Verlust von RGS5 zu einer Steigerung der Agonisten-induzierten Kalziummobilisierung und einer verstärkten Kontraktion isoliert perfundierter Arteriensegmente aus RGS5-defizienten Mäusen, während die Stressfaserbildung in RGS5-defizienten glatten Gefäßmuskelzellen deutlich reduziert war. In tierexperimentellen Modellen, bei denen es zu einer adaptiven (Arteriogenese) bzw. maladaptiven (Hypertonie) Remodellierung von Arteriolen bzw. Arterien kommt, konnte ein Anstieg der RGS5-Expression in den glatten Muskelzellen der Mediaschicht nachgewiesen werden. Bei der Untersuchung der Frage, welche Faktoren diese Erhöhung der RSG5-Expression bewirken, zeigte sich, dass einerseits die längerfristige Überdehnung der glatten Gefäßmuskelzellen (Hypertonie) und andererseits eine verstärkte Exposition dieser Zellen mit Stickstoffmonoxid (NO) und die Stimulation des cGMP-Proteinkinase G-Signalwegs hierfür verantwortlich sind. NO wird im Rahmen der Arteriogenese durch den erhöhten Fluss in den kollateralen Arteriolen vermehrt aus den Endothelzellen freigesetzt. Die resultierende RGS5-Expression in den glatten Muskelzellen dieser Arteriolen scheint wichtig für das adaptive Wachstum der Kollateralgefäße zu sein, da dieser Remodellierungsprozess in RGS5-defizienten Mäusen nicht induziert werden kann. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass es während venöser Remodellierungsprozesse primär zu einem verstärkten Umbau der extrazelluären Matrix kommt, um dem füllungsbedingt gesteigerten Innendruck und der daraus resultierenden Erhöhung der Wandspannung entgegenzuwirken. Arterien hingegen reagieren zunächst mit einer gesteigerten Kontraktion auf den erhöhten Innendruck. Im weiteren Verlauf kommt es zu einer Phänotypänderung der glatten Gefäßmuskelzellen vom kontraktilen zum synthetischen Zustand und einer maladaptiven hyperplastischen Remodellierung in der druckbelasteten Arterienwand. Durch die Hochregulation der Expression von Proteinen wie RGS5 verlieren die glatten Gefäßmuskelzellen dabei ihre Kontraktionsfähigkeit zugunsten einer erhöhten Steifigkeit. Sowohl für venöse als auch arterielle maldaptive Remodellierungsprozesse ist zudem die Aktivität des Transkriptionsfaktors AP-1 bzw. seiner Untereinheit Junb von besonderer Bedeutung. Wirkstoffe, die zu einer zellspezifischen Suppression der Aktivität bzw. Expression dieses Transkriptionsfaktors führen, könnten insofern einen vielversprechenden Ansatz für die Prävention bzw. Regression dieser Remodellierungsprozesse in Venen bzw. Arterien darstellen. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass es unter Umständen zu einer Beeinträchtigung adaptiver Remodellierungsprozesse wie der Arteriogenese kommen kann