Zum Beitrag von SERCA2, RyR2, NCX1 und PMCA zur elektromechanischen Kopplung im Kardiomyozyten - Untersuchung einer alten Frage mit neuen Methoden

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Torsten Christ; Professor Dr. Thomas Eschenhagen
• Fachliche Zuordnung: Pharmakologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532692509

Die zentrale Rolle von Calcium für die Kontraktion des Herzens ist seit den grundlegenden Arbeiten von Sydney Ringer etabliert. Lehrbücher fassen den Prozess vereinfacht wie folgt zusammen: (1) Depolarisation der Kardiomyozytenmembran öffnet L-Typ Calcium Kanäle (LTCC) und initiiert einen Influx von Calcium Ionen; (2) dieser triggert die Öffnung von Ryanodinrezeptoren und die Freisetzung einer größeren Menge Calcium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR); (3) Calcium bindet an das dünne Filament Protein Troponin C, was eine Reorganisation des Troponin/Tropomyosin Komplex, Aktivierung der Myosin-Aktin Interaktion und dadurch Kraftentwicklung zur Folge hat. Die Rückführung von Calcium in das SR über die SR-Calcium ATPase (SERCA2; energieverbrauchend) und der Export über den sarkolemmalen Natrium/Calcium Austauscher (NCX1; energieunabhängig, aber elektrogen) revertiert den Prozess und verursacht eine Relaxation der Myofilamente in der Diastole. Die sarkolemmale Calcium ATPase (PMCA) spielt eine quantitativ untergeordnete Rolle im Export und fehlt daher in den meisten Schemata. Im Gleichgewicht muss die Menge von Calcium, die die Zelle diastolisch verlässt, exakt der Menge entsprechen, die in die Zelle systolisch einfließt. Dasselbe gilt für die Mengen, die vom SR freigesetzt bzw. zurückgepumpt werden. Das System ist unter regulatorischer Kontrolle durch β-adrenerge (und andere) Rezeptoren, die sowohl den Influx als auch den SR-Transport von Calcium stimulieren. Wie von dem Modell vorhergesagt, führt pharmakologische Hemmung des LTCC unweigerlich zu einer Abnahme der Kontraktionskraft und, in hohen Konzentrationen, zum kompletten kontraktilen Arrest. Das zeigt eindrücklich, dass der Influx von Calcium unabdingbar für die Kontraktion des Herzens ist. Überraschenderweise zeigen aber sauber durchgeführte Studien, dass eine fast vollständige pharmakologische oder genetische Hemmung von SERCA2 oder NCX1 die Kontraktionskraft des Herzens nicht wesentlich beeinflussen. Auch die genetische Deletion oder Hemmung von PMCA (PMCA4) hat keinen relevanten Effekt auf die Kontraktionskraft. Vorläufige eigene Experimente bestätigen diese erstaunlichen Ergebnisse und weisen darauf hin, dass selbst eine kombinierte Hemmung aller drei Element ohne wesentlichen Einfluss auf die Kraft von engineered heart tissue (EHT) aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) ist. Angesichts der Limitationen pharmakologischer Interventionen sind aber bessere, genetische Methoden notwendig, um das offensichtliche Rätsel zu lösen. Das vorliegende Projekt wird hiPSC, EHT, CRISPR/Cas9 zur Genausschaltung, AAV-vermittelten Transfer von Organellen-lokalisierten genetisch kodierten Calciumsensoren und pharmakologische Interventionen verwenden, um die Bedeutung von SERCA2, NCX1, PMCA4 und RyR2 für die elektromechanische Kopplung in einem humanen Herzmuskelkontext zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen