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Adding Dimension: Mechanotransduction in mammalian endothelial Cells and Cardiomyocytes exposed to passive Stretch using a novel multidirectional isotropic Cell-Stretch Technology

Subject Area Biophysics
Anatomy and Physiology
Term from 2017 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 383071714
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

Im Fokus des Projektes stand die Untersuchung mechanisch induzierten Zell-Stresses und die darauffolgenden Zellantworten bzgl. Ca2+-Homöostase und Expression mechanosensitiver Ionenkanäle und Zellverankerung in Zellsystemen des Herz-Kreislauf-Systems. Hierzu sollten adulte ventrikuläre Kardiomyozyten (KM), Vorhof-Endothelzellen und Endothelzellen (EZ) des Gefäß-Systems (z.B. HUVEC, humane Ea.hy926 Zellinie) bzgl. dehnungsinduziertem Ca2+ Einstrom durch mechanosensitive Kanäle als Antwort auf isotrope radiale Dehnung zwischen 0 und 20% Dehnungsamplitude untersucht werden. Für adulte KMs wurden 3D Einbettungsverfahren im Sinne eines „Zell-im-Gel“ Hydrogel-Ansatzes optimiert und verschiedene Gelsteifigkeiten getestet, um eine verlässliche Dehnung der Gel-Matrix auf die Zellen zu übertragen. Hierdurch wurde es möglich, unter Verwendung steifer Hydrogel-Matrizes, mit Ca2+ Fluoreszenzfarbstoff angefärbte und eingebettete adulte KM akut zu dehnen und zu relaxieren und die intrazellulären Ca2+ Transienten spontan schlagender Zellen zu verfolgen. Eine wichtige Beobachtung war hierbei die Induktion von Arrhythmien durch akute Relaxation nach isotroper Dehnung, welche erstmalig einen direkten Zusammenhang zwischen arrhythmogener Aktivität bei forcierter Relaxation, beispielsweise bei Herzinsuffizienz auftretend, direkt in Echtzeit in Einzelzellen visualisieren konnte. Die Anwendung isotroper Dehnung auf vaskuläre Endothelzellen zeigte eine bis dato nicht beschriebene Abhängigkeit der dehnungsinduzierten Ca2+ Antwort von der Zelldichte, mit niedrigeren Ca2+ Transienten-Amplituden bei höheren Zelldichten und umgekehrt. In der human-vaskulären Endothelzellinie Ea.hy926 war dies mit einer Hemmung der Piezo1-Proteinexpression bei höheren Zelldichten verbunden, was dafür spricht, daß Piezo1-Kanalproteine als Target der Kontaktinhibition in Endothelzellen fungieren könnten. TRPC6 Kanäle waren in ihrer Expression nicht systematisch von der Zelldichte abhängig. Vorhof-Endothelzellen (porcines Modell) hingegen zeigten eine deutliche Abhängigkeit des dehnungsinduzierten Ca2+ Einstroms von TRPC6 Kanälen, wie durch verschiedene Blocker, z.B. Poren-spezifische Antikörper, bestätigt werden konnte. Auch konnte in diesem Modell ein parakriner Effekt, der durch dehnungsinduzierte Regulation der Endothelin-1 (ET- 1) Produktion vermittelt wird, im Sinne eines Crosstalk mit Kardiomyozyten (humane induzierte pluripotente Stammzell-induzierte KM) ermittelt werden. Chronische Dehnung der Vorhof-EZ erhöhte hier TRPC6-vermittelt die ET-1 Produktion und führte zu arrhythmogenen Ca2+-Transienten durch erhöhten Ca2+ Einstrom in spontan schlagenden KM. Zusammengefasst zeigt unser Projekt neue molekulare Mechanismen des mechano-chemischen Ca2+-signaling Feedbacks in Zellen des kardiovaskulären Systems, welche differentiell durch TRPC6 und Piezo1 Ionenkanäle reguliert werden. Dies wird in weiteren Studien dazu genutzt werden können, mit Hilfe unserer IsoStretcher Technologie pharmakologische Interventionen bzgl. der dehnungsinduzierten Arrhythmogenität zu testen.

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