Mechanismen der Coxsackievirus B3-induzierten Modulation kardialer Kaliumkanäle als mögliche Ursache von Arrhythmien bei viraler Myokarditis
Pathologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Charakterisierung der molekularen Mechanismen der CVB3-Infektion von Kardiomyozyten, die aus iCell Cardiomyocytes differenziert wurden, erfolgte ein Vergleich mit anderen häufig auf diesem Forschungsgebiet verwendeten Zelllinien (HL-1, HeLa, H9c2). Es zeigte sich, dass lediglich iCell Cardiomyocytes zu nahezu 100% durch CVB3 infiziert werden und eine hohe virale Replikationrate aufweisen entsprechend der Befunde in Kardiomyozyten in vivo. Zudem zeigte der Vergleich von Markern (Caspase-1, Marker der Pyroptose und Caspase-3, Marker der Apoptose) hinsichtlich verschiedener Zelltodformen deutliche Unterschiede. Aktive Caspase-1 fand sich nach Infektion in HL-1 Zellen und H9c2 Zellen, jedoch nicht in HeLa Zellen oder iCell Cardiomyocytes. Aktive Caspase-3 wurde in infizierten HL-1 und HeLa Zellen, jedoch nicht in H9c2 Zellen oder iCell Cardiomyocytes nachgewiesen. Der Verlust der Zellmembranintegrität bei CVB3-infizierten iCell Cardiomyocytes legt jedoch nahe, dass sie durch programmierte Nekrose zugrunde gehen. Durch Inhibition sowohl von RIPK1 als auch von RIPK3 (beide Bestandteil des Nekrosoms) gelang eine Reduktion der viralen Replikation um etwa 50%. Die Analyse der RIPK1- und RIPK3-Expression auf Proteinebene zeigte, dass die RIPK3 Expression 8 h pi abnimmt und RIPK1 gespalten wird, die viralen Proteasen 2Apro oder 3Cpro für diese Spaltung aber nicht verantwortlich sind. Der Einsatz verschiedener Proteaseinhibitoren ergab zudem, dass die RIPK1-Spaltung weder durch den Einsatz von E64d, noch Pepstatin A oder Z-VAD- FMK unterdrückt werden kann. In einem Teilprojekt sollten pathophysiologische relevante Mechanismen potenziell letaler Arrhythmien bei CVB3-Infektionen in murinem Myokard und in CVB3-transgenen humanen iPSC-abgeleiteten Kardiomyozten-artigen Zellen untersucht werden. Dazu wurden CVB3ΔVP0-Genome als nicht-infektiöse Transgene in Mäuse und iPSCs eingebracht. In der hieraus generierten CVB3ΔVP0-Mauslinie zeigte sich in MRT-Untersuchungen, dass diese Tiere eine systolische und diastolische Dysfunktion entwickeln. Isolierte CVB3ΔVP0-Kardiomyozyten zeigten eine Neigung zum Calcium overload und β–adrenerge Stimulation fördert eine Kalzium-Kontraktionsentkopplung in den CVB3ΔVP0- Kardiomyozyten. Da die CVB3ΔVP0-Mäuse ihr Transgen im Verlauf der Kreuzungen verloren, wurde das erste humane transgene RNA-Virus-Modell generiert. Es ließen sich funktionelle Kardiomyozyten aus dem CVB3ΔVP0-Klon herstellen, die ebenfalls eine β– adrenerge induzierte Kalzium-Kontraktionsentkopplung aufwiesen. Insbesondere das virale Nichtstrukturprotein 2A fungiert als Modulator für den KCNQ1/KCNE1-Kanal, welcher unter β-adrenerger Stimulation die korrekte Kalziumkonzentration in der späten Kontraktion kalibriert und Calcium overload verhindert. Vier KCNQ1/KCNE1-Modulatoren wurden auf ihre Pharmakologie untersucht. Ultrastrukturelle Untersuchungen und Transkriptom-/Proteom-Analysen zeigten, dass der kontraktive Apparat und die Energieversorgung durch CVB3 in Kardiomyozyten geschädigt werden. Diese hier aufgedeckten Veränderungen sorgen in beiden transgenen Systemen zu erhöhter Arrhythmieneigung und erklären CVB3-vermittelte Arrhythmien bei Patienten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A new monoclonal antibody (Cox mAB31A2) detects VP1 protein of coxsackievirus B3 with high sensitivity and specificity. Virchows Arch. 2016;469(5):553-562
Ettischer-Schmid N, Normann A, Sauter M, Kraft L, Kalbacher H, Kandolf R, Flehmig B, Klingel K
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KCNE1 induces fenestration in the Kv7.1/KCNE1 channel complex that allows for highly specific pharmacological targeting. Nat Commun. 2016; 7:12795
Wrobel E, Rothenberg I, Krisp C, Hundt F, Fraenzel B, Eckey K, Linders JT, Gallacher DJ, Towart R, Pott L, Pusch M, Yang T, Roden DM, Kurata HT, Schulze-Bahr E, Strutz-Seebohm N, Wolters D, Seebohm G
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Stepwise Clearance of Repressive Roadblocks Drives Cardiac Induction in Human ESCs. Cell Stem Cell. 2016;18(3):341-53
Rao J, Pfeiffer MJ, Frank S, Adachi K, Piccini I, Quaranta R, Araúzo-Bravo M, Schwarz J, Schade D, Leidel S, Schöler HR, Seebohm G, Greber B
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(2017) Adrenergic Stress Protection of Human iPS Cell-Derived Cardiomyocytes by Fast K(v)7.1 Recycling. Front Physiol. 8:705
Piccini I, Fehrmann E, Frank S, Müller FU, Greber B, Seebohm G
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Silencing the CSF-1 Axis Using Nanoparticle Encapsulated siRNA Mitigates Viral and Autoimmune Myocarditis. Front Immunol. 2018;9:2303
Meyer IS, Goetzke CC, Kespohl M, Sauter M, Heuser A, Eckstein V, Vornlocher HP, Anderson DG, Haas J, Meder B, Katus HA, Klingel K, Beling A, Leuschner F
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A Kidnapping Story: How Coxsackievirus B3 and Its Host Cell Interact. Cell Physiol Biochem. 2019;53(1):121-140
Peischard S, Ho HT, Theiss C, Strutz-Seebohm N, Seebohm G
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Blocking the IL-1β signalling pathway prevents chronic viral myocarditis and cardiac remodeling. Basic Res Cardiol. 2019;114(2):11
Kraft L, Erdenesukh T, Sauter M, Tschöpe C, Klingel K
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From iPSC towards cardiac tissue-a road under construction. Pflugers Arch..
Peischard S, Piccini I, Strutz-Seebohm N, Greber B, Seebohm G
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Midkine drives cardiac inflammation by promoting neutrophil trafficking and NETosis in myocarditis. J Exp Med. 2019;216(2):350-368
Weckbach LT, Grabmaier U, Uhl A, Gess S, Boehm F, Zehrer A, Pick R, Salvermoser M, Czermak T, Pircher J, Sorrelle N, Migliorini M, Strickland DK, Klingel K, Brinkmann V, Abu Abed U, Eriksson U, Massberg S, Brunner S, Walzog B
