Analysis of stretch induced changes in the signalling pathways and their affects on the onset of cardiac hypertrophy in human myocard

Die Herzhypertrophie ist eine der bedeutendsten und schwerwiegendsten klinischen Komplikationen vieler kardiovaskulärer Erkrankungen. Sie stellt eine Anpassungsreaktion des Herzens an erhöhte kardiale Belastungen dar. Jedoch kommt es dabei an einem nicht definierten Punkt der Hypertrophie- Genese zu einer Verselbstständigung der daran beteiligten Mechanismen und die Hypertrophie ist progredient. Durch das Versagen reaktiver Kompensationsmöglichkeiten kommt es durch eine relative Koronarinsuffizienz vermehrt zu ischämischen Ereignissen und einer daraus resultierenden erhöhten Mortalität. Das Interesse viel versprechende Therapieansätze aufzuspüren ist bei Medizinern und Pharmazeuten immens groß, da die Zahl betroffener Patienten von Tag zu Tag wächst. Um die Präventionsmöglichkeiten der Herzhypertrophie zu verbessern, ist es daher essentiell, ihren molekularen und biochemischen Entstehungsmechanismus und dessen Aufrechterhaltung zu verstehen. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit dem Einfluss mechanischer Dehnung und anderer Stressoren, wie beispielsweise Phorbol-Ester an der Entstehung der kardialen Hypertrophie im humanen Myokard. Dabei wurden einige Proteinkinasen möglicher beteiligter Signaltransduktionskaskaden untersucht und besonderes Augenmerk auf den Einfluss der MAP- Kinasen gelegt. Zum ersten Mal wurde für derartige Untersuchungen mit humanem atrialen Herzmuskelgewebe gearbeitet, das im Rahmen von kardiochirurgischen Operationen gewonnen wurde. Das Modell der isolierten und intakten Muskelfaser erwies sich in der Versuchsdurchführung als überaus geeignet, da es zum einen eine elektrische Stimulation der humanen Herzmuskelstreifen ermöglichte und es zum anderen die Gelegenheit bot, dehnungsabhängige Versuche an den Muskelstreifen durchzuführen. Dabei wurden mehrere Versuchsgruppen gebildet, welche sich vor allem im Dehnungsgrad und der Versuchszeit unterschieden. Als weiteres Unterscheidungsmerkmal wurden einige Muskelstreifen- Gruppen sowohl elektrisch stimuliert und somit zur isometrischen Kontraktion gebracht und zusätzlich mechanisch gedehnt während bei anderen Muskelstreifen nur der Einfluss der mechanischen Dehnung ohne zusätzliche elektrische Stimulation untersucht wurde. Die Dehnungsgrade wurden in drei Stufen unterteilt: in den ungedehnten Zustand, den optimal vorgedehnten Zustand und den Überdehnungszustand. Die Versuchszeit differierte zwischen zehnminütigen bis hin zu sechzigminütigen Versuchen. Die dehnungsabhängigen Veränderungen der, an den untersuchten Signaltransduktionswegen beteiligten Proteinkinasen wurden in Western Blot- Analysen gezeigt. Dabei erwies sich die Stress- aktivierte p38 MAP- Kinase als ausgesprochen dehnungsabhängig im humanen Myokard. Speziell auf die Überdehnungsreize reagierte die p38 MAP- Kinase mit einer signifikanten Aktivitätssteigerung. Da es derzeit noch widersprüchliche Angaben über die Beteiligung der aktivierten p38 MAP- Kinase an der Entstehung der Herzhypertrophie gibt, handelt es sich bei den vorliegenden Ergebnissen um relevante neue Aspekte im Bereich des humanen kardialen Gewebes. Als weiteres wichtiges Ergebnis der vorliegenden Arbeit gilt die dehnungsinduzierte Aktivierung der p70S6- Kinase im humanen Myokard. Da sie eine wichtige Rolle in der Regulation der Transkription und besonders der Translation von Proteinen spielt und somit einen entscheidenden Einfluss auf die Proteinexpression in der Zelle hat, kann die p70S6-Kinase vermutlich als wichtiger Baustein in der Entstehung der Herzhypertrophie angesehen werden. Die Auswirkungen der mechanischen Dehnung auf die Aktivierung der ERKs 1/2, die in bereits veröffentlichten Untersuchungen an Kardiomyozyten als eindeutig Hypertrophie auslösend beschrieben wurden, waren in der vorliegenden Arbeit am humanen Herzmuskelgewebe nicht verifizierbar.Cardiac hypertrophy is one of the most important clinical complications of many cardiovascular disorders. It is an adaptive process of the heart to an increased hemodynamic overload. The hypertrophied heart has been shown to have impaired contractile as well as relaxing functions and loss of reactive compensatory mechanisms. This leads to relative coronary insufficiency, an increase in infarctions and higher mortality of ischemic heart disease. Therefore the development of prevention and treatment of cardiac hypertrophy is an important theme for cardiologists and pharmacologists. For preventing cardiac hypertrophy it is mandatory to understand the cellular and molecular mechanisms by which cardiac hypertrophy is induced and maintained. This dissertation tried to elucidate the influences of mechanical loading by stretching cardiac muscle tissue and other stress-factors like phorbol esters on the onset of cardiac hypertrophy in human myocard. The investigation was concentrated on a selection of protein kinases which in recent studies have been observed to be part of important cellular signalling pathways, especially focusing on the role of MAP kinase pathways. For the first time the observations were made by using human atrial heart muscle fibers from patients undergoing cardiac surgery because of aortic valve disease or coronarsclerosis. The model of isolated and intact muscle fibers was used because on the one hand there was the possibility for electrical stimulation resulting in muscle contraction and on the other hand there was the opportunity for controlled stretching studies. For the different investigations it was necessary to create several study groups consisting of different stretching levels und different periods of stretching. For further differentiation some study groups consisting of several muscle fibers were both electrically stimulated with the result of isometric contractions and stretched while in other groups just the influence of mechanical stretching without electrical stimulation was investigated. The following stretching levels were used: the slag length, the level without any stretching, the optimal stretched length with the most force under optimal contraction conditions and the over stretch level with worse force conditions. The study time distinguished between ten minutes and one hour. Differences in the quantity of exprimed protein kinases depending on different stretching levels were shown in western blot analyses. As one of the main result of this dissertation it could be shown that the stress activated p38 MAP kinase was strongly activated in stretched human myocard, especially over stretch conditions lead to a significant increase of activity. Since only few and controversial data exist about the involvement of activated p38 MAP kinase on the onset of cardiac hypertrophy the results found here by the investigation of human cardiac tissue were relevant new aspects. The stretch- induced activation of p70S6 kinase in human myocard represented another important result of this dissertation. The p70S6 kinase plays an important role in the regulation of translation and transcription of proteins and it has a great influence on the protein expression of cells. Therefore p70S6 kinase probable takes part in the development of cardiac hypertrophy. In recently published data it was suggested that ERKs 1/2 are also involved in the development of cardiac hypertrophy induced by mechanical stretching in cardiac myocytes. In our investigations on human cardiac tissue we could not confirm this suggestion