Entwicklung eines Testsystems zur parallelen Messung von Kontraktionskraft, Myozytenspannung sowie des mitochondrialen Redoxstatus in künstlichem Herzmuskelgewebe der Ratte zur Charakterisierung der kardialen Hypertrophie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die kardiale Hypertrophie beschreibt eine Größenzunahme des Herzens, der häufig pathologische Veränderungen zu Grunde liegen. Hierbei kommen insbesondere biomechanische sowie dehnungssensitive Mechanismen, aber auch neurohumorale Veränderungen zum Tragen. Ohne pathologische Ursachen, kann eine Größenzunahme des Herzens auch unter besonderen Anforderungen physiologisch sinnvoll sein (u.a. Leistungssport, Schwangerschaft). Beiden ist eine Größenzunahme der Herzzellen gemein. Trotz größter Bemühungen ist es allerdings noch immer nicht vollständig gelungen, die genauen Unterschiede, welche letztlich die Entwicklung zu einer physiologischen oder einer pathologischen Hypertrophie bestimmen, zu identifizieren. Dieses Projekt sollte daher methodische Grundlagen mit Hilfe von dreidimensionalem künstlichen Herzgewebe (Engineered Heart Tissue, EHT) schaffen, um zu einem besseren Verständnis der Zusammenhänge von Kontraktionskraft, Myozytenspannung und des mitochondrialen Redoxstatus bei der kardialen Hypertrophie zu gelangen. Hierfür wurden zunächst Vektorkonstrukte zur Visualisierung der Mechanotransduktion und des mitochondrialen Redoxstatus entwickelt und anhand von Indikatorsubstanzen etabliert. Mit diesen Konstrukten und einem bereits etablierten Messsystem zur isometrischen Kontraktionsanalyse von EHTs, konnte ein Zusammenhang zwischen der Myozytenspannung und dem mitochondrialen Redoxstatus festgestellt werden. Dabei wurde die Myozytenspannung zunächst in Form der diastolischen Kraft der EHTs abgebildet. Dieser Zusammenhang ließ sich speziesübergreifend darstellen, da er sowohl in EHTs generiert aus neonatalen Rattenherzzellen, sowie solchen, aus Kardiomyozyten abgeleitet aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen, sichtbar war. Dies konnte dadurch gezeigt werden, dass Substanzen, die im ROS-Assay zu einem Anstieg führten (z.B. Omecamtiv mecarbil, OM), einen Einfluss auf die diastolische Spannung hatten. Zudem hatten aber auch Substanzen, die einen negativen Einfluss auf die diastolische Spannung zeigten (z.B. Sulforaphan, SFN), eine ROS-induzierende Wirkung im Fluoreszenzassay. Um die Funktionalität des hier etablierten Fluoreszenzmarkers zur Detektion des mitochondrialen Redoxstatus weiter zu bestätigen, wurden zusätzliche Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurden Bedingungen, welche zu einem Anstieg im entwickelten ROS-Assay führten, in einem etablierten Messprotokoll zur Bestimmung des mitochondrialen Membranpotentials wiederholt. Darüber hinaus wurde die Veränderung der Mitochondrienbiologie mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Die Ergebnisse beider Analysen bestätigten die Befunde des hier entwickelten ROS-Assays. Dies belegte nicht nur die grundsätzliche Eignung der EHTs, sondern auch der hier erlangten Ergebnisse zur weiteren Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Kontraktionskraft, Myozytenspannung und des mitochondrialen Redoxstatus im Kontext der kardialen Hypertrophie. Ein wichtiger Zusatzbefund war die OM-induzierte Steigerung der diastolischen Spannung, die begleitet wurde durch einen Fluoreszenzanstieg des Redox-sensitiven Mitochondrienmarkers. Dies lässt vermuten, dass es sich hierbei um einen generellen Nebeneffekt kraftsteigernder Substanzen handelt, die nicht gleichzeitig die intrazelluläre Ca2+-Konzentration erhöhen und stellt damit eine wichtige Information für die klinische Anwendung solcher Substanzen dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019) Phosphomimetic cardiac myosinbinding protein C partially rescues a cardiomyopathy phenotype in murine engineered heart tissue. Sci Rep 9(1):18152
Dutsch A, Wijnker PJM, Schlossarek S, Friedrich FW, Krämer E, Braren I, Hirt MN, Brenière-Letuffe D, Rhoden A, Mannhardt I, Eschenhagen T, Carrier L, Mearini G
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(2019) Preserved cardiovascular homeostasis despite blunted acetylcholine-induced dilation in mice with endothelial muscarinic M3 receptor deletion. Acta Physiol (Oxf) 226(1):e13262
Rhoden A, Speiser J, Geertz B, Uebeler J, Schmidt K, de Wit C, Eschenhagen T
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(2021) Sulforaphane exposure impairs contractility and mitochondrial function in three-dimensional engineered heart tissue. Redox Biol 41:101951
Rhoden A, Friedrich FW, Brandt T, Raabe J, Schweizer M, Meisterknecht J, Wittig I, Ulmer BM, Klampe B, Uebeler J, Piasecki A, Lorenz K, Eschenhagen T, Hansen A, Cuello F
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(2021) Translational investigation of electrophysiology in hypertrophic cardiomyopathy. J Mol Cell Cardiol 157:77-89
Flenner F, Jungen C, Küpker N, Ibel A, Kruse M, Koivumäki JT, Rinas A, Zech ATL, Rhoden A, Wijnker PJM, Lemoine MD, Steenpass A, Girdauskas E, Eschenhagen T, Meyer C, van der Velden J, Patten- Hamel M, Christ T, Carrier L
