TY  - THES
A1  - Janz, Anna
T1  - Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) in inherited cardiomyopathies: Generation and characterization of an iPSC-derived cardiomyocyte model system of dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA)
T1  - Humane induzierte pluripotente Stammzellen in vererbbaren Kardiomyopathien: Generierung und Charakterisierung eines auf Stammzellen basierenden Herzmuskelmodellsystems der Dilatativen Kardiomyopathie mit Ataxie (DCMA)
N2  - The emergence of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) and the rise of the clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9 (CRISPR/Cas9) gene editing technology innovated the research platform for scientists based on living human pluripotent cells. The revolutionary combination of both Nobel Prize-honored techniques enables direct disease modeling especially for research focused on genetic diseases. To allow the study on mutation-associated pathomechanisms, we established robust human in vitro systems of three inherited cardiomyopathies: arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM), dilated cardiomyopathy with juvenile cataract (DCMJC) and dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA). 
Sendai virus vectors encoding OCT3/4, SOX2, KLF4, and c-MYC were used to reprogram human healthy control or mutation-bearing dermal fibroblasts from patients to an embryonic state thereby allowing the robust and efficient generation of in total five transgene-free iPSC lines. The nucleofection-mediated CRISPR/Cas9 plasmid delivery in healthy control iPSCs enabled precise and efficient genome editing by mutating the respective disease genes to create isogenic mutant control iPSCs. Here, a PKP2 knock-out and a DSG2 knock-out iPSC line were established to serve as a model of ACM. Moreover, a DNAJC19 C-terminal truncated variant (DNAJC19tv) was established to mimic a splice acceptor site mutation in DNAJC19 of two patients with the potential of recapitulating DCMA-associated phenotypes. In total eight self-generated iPSC lines were assessed matching internationally defined quality control criteria. The cells retained their ability to differentiate into cells of all three germ layers in vitro and maintained a stable karyotype. All iPSC lines exhibited a typical stem cell-like morphology as well as expression of characteristic pluripotency markers with high population purities, thus validating the further usage of all iPSC lines in in vitro systems of ACM, DCMA and DCMJC. 
Furthermore, cardiac-specific disease mechanisms underlying DCMA were investigated using in vitro generated iPSC-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs). DCMA is an autosomal recessive disorder characterized by life threatening early onset cardiomyopathy associated with a metabolic syndrome. Causal mutations were identified in the DNAJC19 gene encoding an inner mitochondrial membrane (IMM) protein with a presumed function in mitochondrial biogenesis and cardiolipin (CL) remodeling. In total, two DCMA patient-derived iPSC lines (DCMAP1, DCMAP2) of siblings with discordant cardiac phenotypes, a third isogenic mutant control iPSC line (DNAJC19tv) as well as two control lines (NC6M and NC47F) were directed towards the cardiovascular lineage upon response to extracellular specification cues. The monolayer cardiac differentiation approach was successfully adapted for all five iPSC lines and optimized towards ventricular subtype identity, higher population purities and enhanced maturity states to fulfill all DCMA-specific requirements prior to phenotypic investigations. To provide a solid basis for the study of DCMA, the combination of lactate-based metabolic enrichment, magnetic-activated cell sorting, mattress-based cultivation and prolonged cultivation time was performed in an approach-dependent manner. The application of the designated strategies was sufficient to ensure adult-like characteristics, which included at least 60-day-old iPSC-CMs. Therefore, the novel human DCMA platform was established to enable the study of the pathogenesis underlying DCMA with respect to structural, morphological and functional changes. 
The disease-associated protein, DNAJC19, is constituent of the TIM23 import machinery and can directly interact with PHB2, a component of the membrane bound hetero-oligomeric prohibitin ring complexes that are crucial for phospholipid and protein clustering in the IMM. DNAJC19 mutations were predicted to cause a loss of the DnaJ interaction domain, which was confirmed by loss of full-length DNAJC19 protein in all mutant cell lines. The subcellular investigation of DNAJC19 demonstrated a nuclear restriction in mutant iPSC-CMs. The loss of DNAJC19 co-localization with mitochondrial structures was accompanied by enhanced fragmentation, an overall reduction of mitochondrial mass and smaller cardiomyocytes. Ultrastructural analysis yielded decreased mitochondria sizes and abnormal cristae providing a link to defects in mitochondrial biogenesis and CL remodeling. Preliminary data on CL profiles revealed longer acyl chains and a more unsaturated acyl chain composition highlighting abnormities in the phospholipid maturation in DCMA. 
However, the assessment of mitochondrial function in iPSCs and dermal fibroblasts revealed an overall higher oxygen consumption that was even more enhanced in iPSC-CMs when comparing all three mutants to healthy controls. Excess oxygen consumption rates indicated a higher electron transport chain (ETC) activity to meet cellular ATP demands that probably result from proton leakage or the decoupling of the ETC complexes provoked by abnormal CL embedding in the IMM. 
Moreover, in particular iPSC-CMs presented increased extracellular acidification rates that indicated a shift towards the utilization of other substrates than fatty acids, such as glucose, pyruvate or glutamine. The examination of metabolic features via double radioactive tracer uptakes (18F-FDG, 125I-BMIPP) displayed significantly decreased fatty acid uptake in all mutants that was accompanied by increased glucose uptake in one patient cell line only, underlining a highly dynamic preference of substrates between mutant iPSC-CMs. 
To connect molecular changes directly to physiological processes, insights on calcium kinetics, contractility and arrhythmic potential were assessed and unraveled significantly increased beating frequencies, elevated diastolic calcium concentrations and a shared trend towards reduced cell shortenings in all mutant cell lines basally and upon isoproterenol stimulation. Extended speed of recovery was seen in all mutant iPSC-CMs but most striking in one patient-derived iPSC-CM model, that additionally showed significantly prolonged relaxation times. The investigations of calcium transient shapes pointed towards enhanced arrhythmic features in mutant cells comprised by both the occurrence of DADs/EADs and fibrillation-like events with discordant preferences.
Taken together, new insights into a novel in vitro model system of DCMA were gained to study a genetically determined cardiomyopathy in a patient-specific manner upon incorporation of an isogenic mutant control. Based on our results, we suggest that loss of full-length DNAJC19 impedes PHB2-complex stabilization within the IMM, thus hindering PHB-rings from building IMM-specific phospholipid clusters. These clusters are essential to enable normal CL remodeling during cristae morphogenesis. Disturbed cristae and mitochondrial fragmentation were observed and refer to an essential role of DNAJC19 in mitochondrial morphogenesis and biogenesis. Alterations in mitochondrial morphology are generally linked to reduced ATP yields and aberrant reactive oxygen species production thereby having fundamental downstream effects on the cardiomyocytes` functionality. DCMA-associated cellular dysfunctions were in particular manifested in excess oxygen consumption, altered substrate utilization and abnormal calcium kinetics. The summarized data highlight the usage of human iPSC-derived CMs as a powerful tool to recapitulate DCMA-associated phenotypes that offers an unique potential to identify therapeutic strategies in order to reverse the pathological process and to pave the way towards clinical applications for a personalized therapy of DCMA in the future.
N2  - Die Entwicklung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) und die biotechnologische Anwendung des „clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9“ (CRISPR/Cas9) Gen-Editierungssystems bilden eine innovative Forschungsplattform für Wissenschaftler basierend auf lebenden menschlichen pluripotenten Stammzellen. Die bahnbrechende Kombination beider nobelpreisprämierter Techniken erlaubt eine direkte Krankheitsmodellierung insbesondere für die Erforschung von genetisch bedingten Erkrankungen. Um die Untersuchung von mutationsassoziierten Pathomechanismen zu ermöglichen, etablierten wir robuste humane in vitro Systeme von drei vererbbaren Kardiomyopathien: die arrhythmogene Kardiomyopathie (AKM), die dilatative Kardiomyopathie mit juveniler Katarakt (DKMJK) und die dilatative Kardiomyopathie mit Ataxie (DKMA).
Zur Generierung von transgenfreien iPS-Zellen wurden für OCT3/4, SOX2, KLF4 und c-MYC kodierende Sendai-Virus-Vektoren verwendet um humane gesunde Kontroll- oder mutationstragende dermale Fibroblasten von Patienten in einen embryonalen Zustand zu reprogrammieren. Die Verwendung der SeV-vermittelten Reprogrammierung ermöglichte uns eine effiziente und robuste Herstellung von insgesamt fünf transgen-freien iPS-Zelllinien. Zudem befähigt die Nukleofektion der CRISPR/Cas9-Plasmide in gesunden Kontroll-iPS-Zellen eine präzise und effiziente Genom-Editierung krankheitsrelevanter Gene und damit die Generierung von isogenen mutierten iPS-Zelllinien. Mit diesem Verfahren wurden eine PKP2-Knock-out- und eine DSG2-Knock-out iPSZ-Linie hergestellt, die jeweils als Modell für AKM dienen. Darüber hinaus wurde eine mit DKMA-assoziierte Spleißakzeptormutation auf genetischer Basis imitiert, um die mit dem Phänotyp zweier Patienten in Verbindung gebrachte C-terminal verkürzte DNAJC19-Variante (DNAJC19tv) auf translationaler Ebene rekapitulieren zu können. Alle acht eigens generierten iPS-Zelllinien entsprachen international definierten Qualitätskontrollkriterien.  Die hergestellten iPS-Zellen behielten die Fähigkeit in vitro in Zellen der drei Keimblätter zu differenzieren und zeigten darüber hinaus einen normalen Karyotyp. Alle iPS-Zelllinien wiesen eine typische stammzellähnliche Morphologie sowie die Expression charakteristischer Pluripotenzmarker bei gleichzeitig hoher Populationsreinheit auf. Die experimentelle Qualtitätskontrolle hat somit die weitere Verwendung aller iPS-Zelllinien in in vitro Systemen von AKM, DKMA und DKMJK validiert.
Die der DKMA zugrundeliegenden herzspezifischen Krankheitsmechanismen wurden zudem mithilfe von in vitro produzierten iPSZ-abgeleiteten Kardiomyozyten (iPSZ-KMs) untersucht. DKMA ist eine autosomal rezessiv vererbte Erkrankung, die durch Mutationen im DNAJC19 Gen hervorgerufen wird. Das wichtigste klinische Merkmal der Patienten ist eine früh einsetzende und lebensbedrohliche dilatative Kardiomyopathie, die oftmals mit einem metabolischen Syndrom einhergeht. DNAJC19 kodiert für ein Protein der inneren mitochondrialen Membran (IMM), dessen postulierte Funktion in der mitochondrialen Biogenese und der Remodellierung von Cardiolipin liegt. Zur Modellierung der DKMA wurden zwei von DKMA-Patienten abgeleitete iPS-Zelllinien (DCMAP1, DCMAP2) eines Geschwisterpaares mit unterschiedlich ausgeprägten kardialen Phänotypen, eine dritte isogene mutierte iPS-Zelllinie (DNAJC19tv) sowie zwei gesunden Kontroll-iPS-Zelllinien (NC6M und NC47F) mithilfe extrazellulärer Spezifikationsfaktoren zur kardiovaskulären Differenzierung angeregt. 
Das Monolayer-Protokoll zur kardialen Differenzierung wurde erfolgreich für alle fünf iPSZ-Linien adaptiert und in Bezug auf die Anreicherung des ventrikulären Herzmuskelzellsubtyps, höhere Zellpopulationsreinheiten und adulte Reifegrade optimiert. Die Kombination der Laktat-basierten metabolischen Aufreinigung, der magnetisch-aktivierten Zellsortierung, der Anwendung einer Mattress-basierten Kultivierungsstrategie und verlängerte Kultivierungszeiten ermöglichte die Erfüllung aller DKMA-spezifischen Anforderungen. Zusammengefasst konnten insbesondere adulte Charakteristika durch die Kombination der benannten experimentellen Strategien unter Verwendung von mindestens 60 Tage kultivierten iPSZ-KMs nachgewiesen werden, um eine zuverlässige phänotypische Untersuchung der DKMA gewährleisten zu können. Die innovative humane Untersuchungsplattform wurde etabliert, um die Pathogenese der DKMA im Hinblick auf strukturelle, morphologische und funktionelle Veränderungen entschlüsseln zu können.
Das mit DKMA assoziierte Protein DNAJC19 ist Bestandteil der TIM23-Importmaschinerie und besitzt zudem die Fähigkeit einer direkten Interaktion mit PHB2. PHB2 trägt zur Bildung der membrangebundenen hetero-oligomeren Prohibitin-Ringkomplexe bei, deren Hauptfunktion in der Anreicherung von Phospholipiden und Proteinen innerhalb von Clustern in der IMM liegt. Der durch DNAJC19 Mutationen vermutete hervorgerufenen Verlust der DnaJ-Interaktionsdomäne wurde durch die fehlende Expression des DNAJC19 Proteins in voller Länge in allen mutationstragenden Zellen bestätigt. Die subzelluläre Untersuchung von DNAJC19 zeigte ein auf den Kern beschränktes Expressionsmuster in mutierten iPSZ-KMs. Der Verlust der DNAJC19 Ko-Lokalisation mit mitochondrialen Strukturen ging mit einer abnormen mitochondrialen Fragmentierung, einer signifikanten Abnahme der mitochondrialen Masse und einer signifikant reduzierten Kardiomyozytengröße einher. Ultrastrukturelle Analysen ergaben zudem kleinere Mitochondrien und abnorme Cristae, die eine krankheitsrelevante Verbindung zu Defekten in der mitochondrialen Biogenese und der CL-Reifung darlegen. Vorläufige Daten zu CL-Profilen zeigten längere Acylketten und eine ungesättigtere Acylkettenzusammensetzung, was auf Anomalien in der Phospholipidmaturierung bei DKMA hinweist.
Der Vergleich aller Mutanten mit gesunden Kontrollen hinsichtlich der mitochondrialen Funktion in iPS-Zellen und Hautzellen (dermale Fibroblasten), zeigte eine insgesamt höhere Sauerstoffverbrauchsrate, die in iPSZ-KMs noch stärker ausgeprägt war. Der erhöhte Sauerstoffverbrauch deutet auf eine höhere Aktivität der Elektronentransportkette hin um den zellulären Energiebedarf decken zu können. Wir vermuten einen erhöhten Sauerstoffverbrauch als Konsequenz des Protonendurchsickerns oder der Entkopplung der ETC-Komplexe, das durch eine abnorme CL-Einbettung in der IMM bedingt sein könnte.
Darüber hinaus wiesen insbesondere iPSZ-KMs erhöhte extrazelluläre Säuerungsraten auf, die auf eine Verstoffwechselung anderer Substrate wie Glukose, Pyruvat oder Glutamin hinweisen, im Gegensatz zu der ansonsten bevorzugten Verstoffwechslung von Fettsäuren. Die Untersuchung der metabolischen Eigenschaften mittels der radioaktiven Tracer 18F-FDG und 125I-BMIPP zeigte eine signifikant verringerte Fettsäureaufnahme in allen Mutanten, die nur in einer Patientenzelllinie von einer erhöhten Glukoseaufnahme begleitet wurde. Diese Ergebnisse weisen auf eine DKMA-spezifische hochdynamische Präferenz der Substrate zwischen den unterschiedlichen Mutanten hin.
Um den Einfluss der molekularen Veränderungen direkt mit physiologischen Prozessen in Verbindung bringen zu können, wurden Untersuchungen der Kalziumkinetik, der Kontraktilität und des arrhythmischen Potentials durchgeführt. Einzelzellmessungen ergaben eine signifikant erhöhte Kontraktionsfrequenz, erhöhte diastolische Kalziumkonzentrationen und eine Tendenz zu reduzierten Zellverkürzungen in allen mutierten Zelllinien basal und verstärkt nach Isoproterenol-Stimulation. Zudem wurden verlangsamte Erholungsgeschwindigkeiten in allen mutierten iPSZ-KMs festgestellt, das in den iPSZ-KMs des einen Patienten besonders auffällig war und mit verlängerten Relaxationszeiten einherging. Die Evaluation der Kalziumtransientenformen deutet auf verstärkte arrhythmische Merkmale in den mutierten Zellen hin, die sowohl das Auftreten von DADs/EADs als auch Fibrillations-ähnlichen Ereignissen mit gegensätzlichen Präferenzen umfasste.
Insgesamt wurden unter der Verwendung patientenspezifischer iPS-Zellen und einer isogenen Mutantenkontrolle neue Einblicke in ein innovatives in vitro Modellsystem der DKMA gewonnen. Basierend auf unseren Ergebnissen vermuten wir, dass der Verlust des DNAJC19 Proteins in voller Länge die Stabilisierung von PHB-Komplexen innerhalb der IMM beeinträchtigt und damit PHB-Ringe an der Bildung von IMM-spezifischen Phospholipid-Clustern hindert. Diese Cluster sind essentiell um eine normale Cardiolipin-Reifung und dessen Funktion in der Cristae-Morphogenese gewährleisten zu können. Abnorme Cristae und fragmentierte mitochondriale Strukturen wurden beobachtet und deuten so auf eine essentielle Rolle von DNAJC19 in der mitochondrialen Morphogenese und Biogenese hin. Abnorme Veränderungen in der mitochondrialen Morphologie werden in der Regel mit einer verminderten ATP-Verfügbarkeit und einer erhöhten Produktion an freien Sauerstoffradikalen assoziiert, das nachfolgend die gesamte Funktionalität der Kardiomyozyten negativ beeinflussen kann. Diese Veränderungen konnten anhand einer erhöhten Sauerstoffverbrauchsrate, unterschiedliche metabolische Eigenschaften und einer abnormalen Kalziumkinetik gemessen werden. 
Die zusammengefassten Daten unterstreichen die Verwendbarkeit von humanen iPSZ-KMs als ein eindrucksvolles System zur Rekapitulation von herzspezifischen Phänotypen und haben damit neue Einblicke in die Pathogenese der DKMA ermöglicht. Das Modellsystem bietet ein einzigartiges Potenzial zur Identifizierung therapeutischer Strategien, um pathologische Prozesse umkehren zu können und so den Weg für zukünftige klinische Anwendungen im Rahmen der personalisierten Therapie zu ebnen.
KW  - in vitro model system of inherited cardiomyopathies
KW  - Induzierte pluripotente Stammzelle
KW  - CRISPR/Cas-Methode
KW  - induced pluripotent stem cells (iPSCs)
KW  - iPSC-derived CMs (iPSC-CMs)
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA)
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240966
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kutschka, Ilona
T1  - Activation of the integrated stress response induces remodeling of cardiac metabolism in Barth Syndrome
T1  - Aktivierung der "Integrated Stress Response" führt zur Umstellung des kardialen Metabolismus im Barth Syndrom
N2  - Barth Syndrome (BTHS) is an inherited X-chromosomal linked disorder, characterized by early development of cardiomyopathy, immune system defects, skeletal muscle myopathy and growth retardation. The disease displays a wide variety of symptoms including heart failure, exercise intolerance and fatigue due to the muscle weakness. The cause of the disease are mutations in the gene encoding for the mitochondrial transacylase Tafazzin (TAZ), which is important for remodeling of the phospholipid cardiolipin (CL). All mutations result in a pronounced decrease of the functional enzyme leading to an increase of monolysocardiolipin (MLCL), the precursor of mature CL, and a decrease in mature CL itself. CL is a hallmark phospholipid of mitochondrial membranes, highly enriched in the inner mitochondrial membrane (IMM). It is not only important for the formation of the cristae structures, but also for the function of different protein complexes associated with the mitochondrial membrane. Reduced levels of mature CL cause remodeling of the respiratory chain supercomplexes, impaired respiration, defects in the Krebs cycle and a loss of mitochondrial calcium uniporter (MCU) protein. The defective Ca2+ handling causes impaired redox homeostasis and energy metabolism resulting in cellular arrhythmias and defective electrical conduction. In an uncompensated situation, blunting mitochondrial Ca2+ uptake provokes increased mitochondrial emission of H2O2 during workload transitions, related to oxidation of NADPH, which is required to regenerate anti-oxidative enzymes. However, in the hearts and cardiac myocytes of mice with a global knock-down of the Taz gene (Taz-KD), no increase in mitochondrial ROS was observed, suggesting that other metabolic pathways may have compensated for reduced Krebs cycle activation.
The healthy heart produces most of its energy by consuming fatty acids. In this study, the fatty acid uptake into mitochondria and their further degradation was investigated, which showed a switch of the metabolism in general in the Taz-KD mouse model. In vivo studies revealed an increase of glucose uptake into the heart and decreased fatty acid uptake and oxidation. Disturbed energy conversion resulted in activation of retrograde signaling pathways, implicating overall changes in the cell metabolism. Upregulated integrated stress response (ISR) was confirmed by increased levels of the downstream target, i.e., the activating transcription factor 4 (ATF4). A Tafazzin knockout mouse embryonal fibroblast cell model (TazKO) was used to inhibit the ISR using siRNA transfection or pharmaceutical inhibition. This verified the central role of
II
the ISR in regulating the metabolism in BTHS. Moreover, an increased metabolic flux into glutathione biosynthesis was observed, which supports redox homeostasis. In vivo PET-CT scans depicted elevated activity of the xCT system in the BTHS mouse heart, which transports essential amino acids for the biosynthesis of glutathione precursors. Furthermore, the stress induced signaling pathway also affected the glutamate metabolism, which fuels into the Krebs cycle via -ketoglutarate and therefore supports energy converting pathways. In summary, this thesis provides novel insights into the energy metabolism and redox homeostasis in Barth syndrome cardiomyopathy and its regulation by the integrated stress response, which plays a central role in the metabolic alterations. The aim of the thesis was to improve the understanding of these metabolic changes and to identify novel targets, which can provide new possibilities for therapeutic intervention in Barth syndrome.
N2  - Barth Syndrome (BTHS) ist eine X-chromosomal vererbbare Erkrankung, welche sich in der frühen Entstehung von Kardiomyopathie, Störungen des Immunsystems, Skelettmuskelschwäche und Wachstumsverzögerungen manifestiert. Das Krankheitsbild ist sehr variabel mit milden Symptomen bis hin zu sehr schwerwiegenden Fällen, bei denen die schnelle Verschlechterung der Kardiomyopathie bereits in jungen Jahren eine Herztransplantation erfordern kann. Betroffenen Patienten zeigen eine deutliche Intoleranz gegenüber körperlicher Anstrengung, welche mit schneller Müdigkeit einhergeht. Die Krankheit wird durch verschiedene Mutationen auf dem Gen für die mitochondriale Transacylase Tafazzin (TAZ) ausgelöst. Die Mutationen führen zu einem Funktionsverlust des Enzyms, welches in der Biosynthese des Phospholipids Cardiolipin (CL) eine entscheidende Rolle spielt. Die Vorstufe des Lipids, das sogenannte Monolysocardiolipin (MLCL), reichert sich dadurch an, wohingegen die Menge an reifem CL entscheidend verringert ist. CL ist ein bedeutendes Phospholipid in den Mitochondrien, wo es vor allem in der inneren Mitochondrien Membran vorkommt. CL ist einerseits wichtig für die Ausbildung der Cristae Strukturen der inneren Mitochondrien Membran. Darüber hinaus ist es notwendig für die Struktur und Funktion verschiedenster Proteinkomplexe in der Membran, welche dadurch erst ihre volle Funktionsfähigkeit erhalten. Es wurde bereits gezeigt, dass der Verlust von reifem CL in BTHS zu einer Dissoziation der Superkomplexe der Atmungskette führt, welche dadurch in ihrer Funktion beeinträchtigt ist. Zusätzlich sind Störungen im Krebs Zyklus und der Kalziumaufnahme durch den mitochondriellen Kalzium (Ca2+) -Uniporter (MCU) Komplex bekannt. Die beeinträchtigte mitochondriale Ca2+ Aufnahme beeinflusst sowohl die Redox Homöostase als auch den Energie Metabolismus, was zu Arrhythmien und einer Störung der elektrischen Weiterleitung im Herzen führt. Im gesunden Herzen gewinnen die Herzmuskelzellen den Hauptanteil ihrer Energie aus dem Abbau von Fettsäuren. In dieser Studie wurde durch die Untersuchung des Fettsäurestoffwechsels im Taz knockdown Mausmodell (Taz-KD) gezeigt, dass eine deutliche Reduktion in Proteinen vorliegt, welche für die Aufnahme und die Verstoffwechselung der Fettsäuren in den Mitochondrien verantwortlich sind. Diese Veränderungen führten in vivo zu einer verringerten Aufnahme und Verstoffwechselung von Fettsäuren und einer Erhöhten Aufnahme von Glucose. Dysfunktionale Mitochondrien aktivieren retrograde Signalwege, welche eine generelle
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Umstellung des Metabolismus zur Folge haben. Eine erhöhte Menge des Transkriptionsfaktors ATF4, welcher sowohl Fettsäure- als auch Aminosäuremetabolismus beeinflusst, zeigte die Aktivierung der sogenannten „Integrated stress response“ (ISR). Ein Zellmodel embryonaler Fibroblasten aus der Maus mit einem Taz knockout (TazKO) wurde verwendet um die ISR durch siRNA Transfektion oder einem pharmakologischen Inhibitor zu blockieren. Dadurch konnte die zentrale Rolle der ISR in der Umstellung des Metabolismus bestätigt werden. Zusätzlich konnte eine erhöhte metabolische Aktivität in Richtung der Glutathion Biosynthese beobachtet werden, welche für die Redox Homöostase in den Mitochondrien von Bedeutung ist. In vivo PET-CT Untersuchungen zeigten eine erhöhte Aktivität des xCT Systems im Herzen des BTHS Mausmodells auf. Dies dient der Aufnahme von Aminosäuren, welche für die Glutathion Biosynthese benötigt werden. Hinzu kommt, dass die Aktivierung des Stresssignalweges den Glutamat Stoffwechsel in der Zelle beeinflusste. Über -Ketoglutarat trägt Glutamat so vermehrt zur Energiegewinnung bei. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die metabolischen Veränderungen in BTHS zu untersuchen, um die veränderten Vorgänge besser zu verstehen und so neue mögliche Angriffspunkte für Therapiemöglichkeiten zu identifizieren.
KW  - Herzmuskelkrankheit
KW  - Mitochondrium
KW  - Stoffwechsel
KW  - Barth Syndrome
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358186
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hock, Michael
T1  - Methods for Homogenization of Spatio-Temporal B\(_0\) Magnetic Field Variations in Cardiac MRI at Ultra-High Field Strength
T1  - Methoden zur Homogenisierung räumlicher und zeitlicher Variationen des B\(_0\)-Feldes in der kardialen Ultrahochfeld-MRT
N2  - Cardiovascular disease is one of the leading causes of death worldwide and, so far, echocardiography, nuclear cardiology, and catheterization are the gold standard techniques used for its detection. Cardiac magnetic resonance (CMR) can replace the invasive imaging modalities and provide a "one-stop shop" characterization of the cardiovascular system by measuring myocardial tissue structure, function and perfusion of the heart, as well as anatomy of and flow in the coronary arteries. In contrast to standard clinical magnetic resonance imaging (MRI) scanners, which are often operated at a field strength of 1.5 or 3 Tesla (T), a higher resolution and subsequent cardiac parameter quantification could potentially be achieved at ultra-high field, i.e., 7 T and above.
Unique insights into the pathophysiology of the heart are expected from ultra-high field MRI, which offers enhanced image quality in combination with novel contrast mechanisms, but suffers from spatio-temporal B0 magnetic field variations. Due to the resulting spatial misregistration and intra-voxel dephasing, these B0-field inhomogeneities generate a variety of undesired image artifacts, e.g., artificial image deformation. The resulting macroscopic field gradients lead to signal loss, because the effective transverse relaxation time T2* is shortened. This affects the accuracy of T2* measurements, which are essential for myocardial tissue characterization. When steady state free precession-based pulse sequences are employed for image acquisition, certain off-resonance frequencies cause signal voids. These banding artifacts complicate the proper marking of the myocardium and, subsequently, systematic errors in cardiac function measurements are inevitable.  Clinical MR scanners are equipped with basic shim systems to correct for occurring B0-field inhomogeneities and resulting image artifacts, however, these are not sufficient for the advanced measurement techniques employed for ultra-high field MRI of the heart.
Therefore, this work focused on the development of advanced B0 shimming strategies for CMR imaging applications to correct the spatio-temporal B0 field variations present in the human heart at 7 T. A novel cardiac phase-specific shimming (CPSS) technique was set up, which featured a triggered B0 map acquisition, anatomy-matched selection of the shim-region-of-interest (SROI), and calibration-based B0 field modeling. The influence of technical limitations on the overall spherical harmonics (SH) shim was analyzed. Moreover, benefits as well as pitfalls of dynamic shimming were debated in this study. An advanced B0 shimming strategy was set up and applied in vivo, which was the first implementation of a heart-specific shimming approach in human UHF MRI at the time.
The spatial B0-field patterns which were measured in the heart throughout this study contained localized spots of strong inhomogeneities. They fluctuated over the cardiac cycle in both size and strength, and were ideally addressed using anatomy-matched SROIs. Creating a correcting magnetic field with one shim coil, however, generated eddy currents in the surrounding conducting structures and a resulting additional, unintended magnetic field. Taking these shim-to-shim interactions into account via calibration, it was demonstrated for the first time that the non-standard 3rd-order SH terms enhanced B0-field homogeneity in the human heart. However, they were attended by challenges for the shim system hardware employed in the presented work, which was indicated by the currents required to generate the optimal 3rd-order SH terms exceeding the dynamic range of the corresponding shim coils. To facilitate dynamic shimming updated over the cardiac cycle for cine imaging, the benefit of adjusting the oscillating CPSS currents was found to be vital. The first in vivo application of the novel advanced B0 shimming strategy mostly matched the simulations.
The presented technical developments are a basic requirement to quantitative and functional CMR imaging of the human heart at 7 T. They pave the way for numerous clinical studies about cardiac diseases, and continuative research on dedicated cardiac B0 shimming, e.g., adapted passive shimming and multi-coil technologies.
N2  - Herz-Kreislauf-Erkrankungen zählen zu den häufigsten Todesursachen weltweit und werden bisher in der Regel mittels Echokardiographie, Nuklearkardiologie und Katheterisierung untersucht. Die kardiale Magnetresonanztomographie hat das Potential diese invasiven Bildgebungsmodalitäten zu ersetzen. Dabei können sowohl das kardiovaskuläre System anhand der myokardialen Gewebestruktur sowie der Funktion und Perfusion des Herzens als auch Anatomie und Blutfluss der Koronararterien während einer einzigen Untersuchung charakterisiert werden. Im Gegensatz zu den weit verbreiteten klinischen Magnetresonanztomographie- (MRT) Geräten, welch häufig bei magnetischen Feldstärken zwischen 1.5 und 3T operieren, ermöglichen Feldstärken von 7 Tesla und mehr eine höhere Auflösung und somit eine akkuratere Quantifizierung kardialer Parameter.
Die Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie (UHF-MRT) ermöglicht einzigartige Einblicke in die Pathophysiologie des Herzens. Neuartige Kontrastmechanismen und die verbesserte Bildqualität leiden jedoch unter Inhomogenitäten des statischen magnetischen B0-Feldes. Aufgrund der daraus resultierenden falschen räumlichen Registrierung der Voxel und einer Dephasierung des Signals innerhalb eines Voxels erzeugen diese Inhomogenitäten des B0-Feldes eine Vielzahl unerwünschter Bildartefakte, beispielsweise eine künstliche Deformation des Bildes. Die resultierenden makroskopischen Gradienten führen zu Signalverlust und beeinträchtigen die Messung der effektiven transversalen T2*-Relaxationszeit, welche für die Charakterisierung myokardialen Gewebes essentiell ist. Vor allem bei der Bildakquisition mittels der Steady State Free Precession Methode führen Inhomogenitäten des B0-Feldes zu Signalauslöschungen. Die dadurch entstehenden Bildartefakte erschweren die genaue Markierung des Myokards und haben so systematische Fehler bei der Bestimmung der kardialen Funktion zur Folge.  Klinische MRT-Geräte sind dabei mit sogenannten Shim-Systemen ausgestattet um die Inhomogenitäten des B0-Feldes zu korrigieren. Für die kardiale UHF-MRT des Herzens sind diese standardisierten Shim-Systeme allerdings nicht mehr ausreichend.
Im Fokus stand deshalb die Entwicklung moderner Methoden zur räumlichen und zeitlichen Korrektur der B0-Inhomogenitäten, welche als „Shimming“ bezeichnet wird, für die kardiale UHF-MRT. Es wurde eine neue, herzphasen-spezifische Shimming-Strategie untersucht, welche auf der getriggerten Datenaufnahme, der Optimierung für die Anatomie des Herzens, sowie der kalibrierungsbasierten Modellierung des korrigierenden Magnetfeldes basierte. Zudem wurde der Einfluss technischer Limitationen der Hardware auf das Shimming, insbesondere das dynamische Shimming, in dieser Studie erörtert. Schließlich wurde die entwickelte neuartige Shimming-Strategie in vivo evaluiert, welche zu diesem Zeitpunkt die erste Implementierung einer herzspezifischen Shimming-Strategie in der humanen kardialen UHF-MRT darstellte.
Räumlich wies das B0-Feld, welches im Rahmen dieser Studie im Herzen gemessen wurde, lokalisierte Inhomogenitäten im Myokardium auf. Diese variierten zudem in ihrer Größe sowie der Stärke der B0-Inhomogenität zeitlich über den Herzzyklus hinweg und ließen sich mittels anatomisch angepasstem, kalibrierungsbasiertem Shimming deutlich reduzieren. Erzeugt man ein korrigierendes Magnetfeld mittels einer Shim-Spule, so werden jedoch Wirbelströme in nahen leitenden Strukturen und weiterhin ein zusätzliches, unerwünschtes Magnetfeld erzeugt. Berücksichtigt man diese Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Shim-Spulen, konnte erstmalig der Vorteil von korrigierenden Magnetfeldern in der Form von Kugelflächenfunktionen der dritten Ordnung für die kardiale UHF-MRT gezeigt werden. Hierbei waren jedoch die erforderlichen, besonders starken Ströme in den Shim-Spulen zu berücksichtigen, welche über den Herzzyklus hinweg oszillierten und für dynamisches Shimming angepasst werden sollten. Die erste in vivo Anwendung der neu entwickelten Shim-Strategie stimmte gut mit den vorigen Simulationen überein.
Die vorgestellten technischen Entwicklungen stellen grundlegende Anforderungen an die quantitative und funktionelle kardialer UHF-MRT dar. Klinische Studien zu kardialen Erkrankungen wie der Herzinsuffizienz erscheinen nun ebenso in Reichweite wie weitere Forschung zu kardialem B0-Shimming basierend auf angepasstem passiven Shimming sowie Multikanal-Spulen.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Bildgebendes Verfahren
KW  - 7 T
KW  - B0
KW  - Cardiac MRI
KW  - Shimming
KW  - Ultrahigh field
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-348213
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Janz, Anna
A1  - Walz, Katharina
A1  - Cirnu, Alexandra
A1  - Surjanto, Jessica
A1  - Urlaub, Daniela
A1  - Leskien, Miriam
A1  - Kohlhaas, Michael
A1  - Nickel, Alexander
A1  - Brand, Theresa
A1  - Nose, Naoko
A1  - Wörsdörfer, Philipp
A1  - Wagner, Nicole
A1  - Higuchi, Takahiro
A1  - Maack, Christoph
A1  - Dudek, Jan
A1  - Lorenz, Kristina
A1  - Klopocki, Eva
A1  - Ergün, Süleyman
A1  - Duff, Henry J.
A1  - Gerull, Brenda
T1  - Mutations in DNAJC19 cause altered mitochondrial structure and increased mitochondrial respiration in human iPSC-derived cardiomyocytes
JF  - Molecular Metabolism
N2  - Highlights
• Loss of DNAJC19's DnaJ domain disrupts cardiac mitochondrial structure, leading to abnormal cristae formation in iPSC-CMs.
• Impaired mitochondrial structures lead to an increased mitochondrial respiration, ROS and an elevated membrane potential.
• Mutant iPSC-CMs show sarcomere dysfunction and a trend to more arrhythmias, resembling DCMA-associated cardiomyopathy.

Background
Dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA) is an autosomal recessive disorder arising from truncating mutations in DNAJC19, which encodes an inner mitochondrial membrane protein. Clinical features include an early onset, often life-threatening, cardiomyopathy associated with other metabolic features. Here, we aim to understand the metabolic and pathophysiological mechanisms of mutant DNAJC19 for the development of cardiomyopathy.

Methods
We generated induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) of two affected siblings with DCMA and a gene-edited truncation variant (tv) of DNAJC19 which all lack the conserved DnaJ interaction domain. The mutant iPSC-CMs and their respective control cells were subjected to various analyses, including assessments of morphology, metabolic function, and physiological consequences such as Ca\(^{2+}\) kinetics, contractility, and arrhythmic potential. Validation of respiration analysis was done in a gene-edited HeLa cell line (DNAJC19tv\(_{HeLa}\)).

Results
Structural analyses revealed mitochondrial fragmentation and abnormal cristae formation associated with an overall reduced mitochondrial protein expression in mutant iPSC-CMs. Morphological alterations were associated with higher oxygen consumption rates (OCRs) in all three mutant iPSC-CMs, indicating higher electron transport chain activity to meet cellular ATP demands. Additionally, increased extracellular acidification rates suggested an increase in overall metabolic flux, while radioactive tracer uptake studies revealed decreased fatty acid uptake and utilization of glucose. Mutant iPSC-CMs also showed increased reactive oxygen species (ROS) and an elevated mitochondrial membrane potential. Increased mitochondrial respiration with pyruvate and malate as substrates was observed in mutant DNAJC19tv HeLa cells in addition to an upregulation of respiratory chain complexes, while cellular ATP-levels remain the same. Moreover, mitochondrial alterations were associated with increased beating frequencies, elevated diastolic Ca\(^{2+}\) concentrations, reduced sarcomere shortening and an increased beat-to-beat rate variability in mutant cell lines in response to β-adrenergic stimulation.

Conclusions
Loss of the DnaJ domain disturbs cardiac mitochondrial structure with abnormal cristae formation and leads to mitochondrial dysfunction, suggesting that DNAJC19 plays an essential role in mitochondrial morphogenesis and biogenesis. Moreover, increased mitochondrial respiration, altered substrate utilization, increased ROS production and abnormal Ca\(^{2+}\) kinetics provide insights into the pathogenesis of DCMA-related cardiomyopathy.
KW  - cell biology
KW  - molecular biology
KW  - dilated cardiomyopathy with ataxia
KW  - genetics
KW  - metabolism
KW  - mitochondria
KW  - OXPHOS
KW  - ROS
KW  - contractility
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350393
SN  - 2212-8778
VL  - 79
ER  -