TY - JOUR A1 - Schwemmlein, Julia A1 - Maack, Christoph A1 - Bertero, Edoardo T1 - Mitochondria as therapeutic targets in heart failure JF - Current Heart Failure Reports N2 - Purpose of Review We review therapeutic approaches aimed at restoring function of the failing heart by targeting mitochondrial reactive oxygen species (ROS), ion handling, and substrate utilization for adenosine triphosphate (ATP) production. Recent Findings Mitochondria-targeted therapies have been tested in animal models of and humans with heart failure (HF). Cardiac benefits of sodium/glucose cotransporter 2 inhibitors might be partly explained by their effects on ion handling and metabolism of cardiac myocytes. Summary The large energy requirements of the heart are met by oxidative phosphorylation in mitochondria, which is tightly regulated by the turnover of ATP that fuels cardiac contraction and relaxation. In heart failure (HF), this mechano-energetic coupling is disrupted, leading to bioenergetic mismatch and production of ROS that drive the progression of cardiac dysfunction. Furthermore, HF is accompanied by changes in substrate uptake and oxidation that are considered detrimental for mitochondrial oxidative metabolism and negatively affect cardiac efficiency. Mitochondria lie at the crossroads of metabolic and energetic dysfunction in HF and represent ideal therapeutic targets. KW - mitochondria KW - heart failure KW - reactive oxygen species KW - MitoQ KW - elamipretide KW - SGLT2 inhibitors KW - cardiac metabolism Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324015 VL - 19 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Sacchetto, Claudia A1 - Sequeira, Vasco A1 - Bertero, Edoardo A1 - Dudek, Jan A1 - Maack, Christoph A1 - Calore, Martina T1 - Metabolic Alterations in Inherited Cardiomyopathies JF - Journal of Clinical Medicine N2 - The normal function of the heart relies on a series of complex metabolic processes orchestrating the proper generation and use of energy. In this context, mitochondria serve a crucial role as a platform for energy transduction by supplying ATP to the varying demand of cardiomyocytes, involving an intricate network of pathways regulating the metabolic flux of substrates. The failure of these processes results in structural and functional deficiencies of the cardiac muscle, including inherited cardiomyopathies. These genetic diseases are characterized by cardiac structural and functional anomalies in the absence of abnormal conditions that can explain the observed myocardial abnormality, and are frequently associated with heart failure. Since their original description, major advances have been achieved in the genetic and phenotype knowledge, highlighting the involvement of metabolic abnormalities in their pathogenesis. This review provides a brief overview of the role of mitochondria in the energy metabolism in the heart and focuses on metabolic abnormalities, mitochondrial dysfunction, and storage diseases associated with inherited cardiomyopathies. KW - inherited cardiomyopathies KW - mitochondria KW - cardiac metabolism Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193806 SN - 2077-0383 VL - 8 IS - 12 ER - TY - THES A1 - Govindaraj, Vijayakumar T1 - Improved Cardiac Glucose Uptake: A Potential Mechanism for Estrogens to Prevent the Development of Cardiac Hypertrophy N2 - The incidence of cardiovascular diseases including cardiac hypertrophy and failure in pre-menopausal women is lower compared to age-matched men but the risk of heart disease increases substantially after the onset of menopause. It has been postulated that female sex hormones play an important role in cardiovascular health in pre-menopausal women. In animal studies including spontaneously hypertensive (SHR) rats, the development of cardiac hypertrophy is attenuated by 17β-estradiol treatment. Cardiac energy metabolism is crucial for normal function of the heart. In cardiac hypertrophy and heart failure, the myocardium undergoes a metabolic shift from fatty acid as primary cardiac energy source to glucose, which re-introduces the fetal type of metabolism that representing the glucose as a major source of energy. Many studies have reported that the disruption of the balance between glucose and fatty acid metabolism plays an important role in cardiac pathologies including hypertrophy, heart failure, diabetes, dilative cardiomyopathy and myocardial infarction. Glucose enters cardiomyocytes via GLUT1 and GLUT4 glucose transporters and GLUT4 is the major glucose transporter which is insulin-dependent. Cardiac-selective GLUT4 deficiency leads to cardiac hypertrophy. This shows that the decrease in cardiac glucose uptake may play a direct role in the pathogenesis of cardiac hypertrophy. Estrogens modulate glucose homeostasis in the liver and the skeletal muscle. But it is not known whether estrogens affect also cardiac glucose uptake which could provide another mechanism to explain the prevention of cardiac hypertrophy by female sex hormones. In the present study, SHR Rats were ovariectomized (OVX), not ovariectomized (sham) or ovariectomized and treated with subcutaneous 17β-estradiol. After 6 weeks of treatment, body weight, the serum levels of estrogen, insulin, intra-peritoneal glucose tolerance test (IP-GTT), myocardial glucose uptake by FDG-PET (2-(18F)-fluoro-deoxyglucose (18FDG) and Positron Emission Tomography), cardiac glucose transporter expression and localization and cardiac hexokinase activity were analyzed. As results of this study, PET analysis of female SHR revealed decreased cardiac glucose uptake in OVX animals compared to intact that was normalized by estrogen supplementation. Interestingly, there was no change in global glucose tolerance among the treatment groups. Serum insulin levels and cardiac hexokinase activity were elevated by E2 substitution. The protein content of cardiac glucose transporters GLUT-4 and GLUT-1, and their translocation as determined by fractionation studies and immuno-staining did not show any significant change by ovariectomy and estrogen replacement. Also levels of insulin receptor substrate-1 (IRS-1) and its tyrosine phosphorylation, which is required for activation and translocation of GLUT4, was un-affected in all groups of SHR. Cardiac gene expression analysis in SHR heart showed that ei4Ebp1 and Frap1 genes which are involved in the mTOR signaling pathway, were differentially expressed upon estrogen treatment. These genes are known to be activated in presence of glucose in the heart. As a conclusion of this study, reduced myocardial FDG uptake in ovariectomized spontaneously hypertensive rat is normalized by 17β-estradiol treatment. Increased myocardial hexokinase appears as a potential mechanism to explain increased myocardial glucose uptake by 17β-estradiol. Increased cardiac glucose uptake in response to 17β-estradiol in ovariectomized SHR may provide a novel mechanism to explain the reduction of cardiac hypertrophy in E2 treated SHR. Therefore, 17β-estradiol improves cardiac glucose utilization in ovariectomized SHR which may give rise to possible mechanism for its protective effects against cardiac hypertrophy. N2 - Erkrankungen des kardiovaskulären Systems, wie beispielsweise Herzhypertrophie oder Herzinsuffizienz treten bei Frauen vor der Menopause im Vergleich zu gleichaltrigen Männern seltener auf. Das Risiko für eine solche kardiovaskuläre Erkrankung steigt jedoch drastisch mit dem Beginn der Menopause an. Aus diesem Grund wird angenommen, dass weibliche Geschlechtshormone kardioprotektive Wirkungen besitzen. Tierstudien an spontan hypertensiven Ratten (SHR) haben belegt, dass eine Herzhypertrophie durch die Behandlung der Tiere mit 17β-Estradiol abgemildert werden kann. Entscheidend für die Funktion des Myokards ist sein Energiemetabolimus, der sich im Verlauf einer Hypertrophie oder Herzinsuffizienz vom primären Fettsäurestoffwechsel auf Glucosemetabolismus umschaltet. Diese Situation entspricht der des fetalen Herzens. Viele Studien haben belegt, dass eine Störung der Balance zwischen Glucose- und Fettsäurestoffwechsel oftmals ein erstes Anzeichen für einen pathologischen Zustand des Herzens, wie z.B. Hypertrophie, Herzinsuffizienz, Diabetes, dilative Kardiomyopathie und Myokardinfarkt ist. Im gesunden Herzen gelangt Glucose über die zwei Glucosetransporter GLUT1 und GLUT4 in die Zellen des Myokards, wobei der insulinabhängige Glut4-Transporter der Hauptglucosetransporter ist. Eine GLUT4-Defizienz führt daher ebenfalls zu einer Herzhypertrophie was wiederum zeigt, dass eine verminderte Glucoseaufnahme im direkten Zusammenhang mit pathologischen Zuständen des Herzens steht. Bisherige Studien haben gezeigt, dass Östrogen an der Glucosehomöostase in Leber und Skelettmuskeln beteiligt ist. Jedoch ist wenig darüber bekannt, ob Östrogen ebenfalls in die kardiale Glucosehomöostase eingreift und inwiefern die kardioprotektive Wirkung des Östrogens in diesem Zusammenhang steht.In der vorliegenden Arbeit wurden weibliche SH-Ratten ovariektomiert (OVX), nicht ovariektomiert (sham) oder ovariektomiert und zusätzlich subkutan mit 17β-Estradiol behandelt. Nach einer Behandlungszeit von 6 Wochen wurden dann das Körpergewicht, die Serumspiegel von Östrogen, Insulin und IPGTT bestimmt, und die Glucoseaufnahme des Myokards mittels FDG-PET analysiert. Zusätzlich wurden Expression und zelluläre Lokalisation der kardialen Glucosetransporter sowie die kardiale Hexokinaseaktivität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich eine verminderte Glucoseaufnahme des Herzens bei ovariektomierten Tieren durch Östrogen-Supplementation normalisieren lässt. Eine Abweichung bezüglich der Glucosetoleranz der einzelnen Gruppen konnte nicht beobachtet werden. Jedoch konnte ein erhöhter Insulinspiegel des Serums und eine erhöhte kardiale Aktivität des Enzyms Hexokinase durch die Behandlung mit Östrogen bei den ovariektomierten Tieren beschrieben werden. Durch Fraktionierungen und immunhistologische Untersuchungen konnte kein signifikanter Unterschied in Bezug auf die Menge sowie die Translokation der Glucosetransporter GLUT1 und GLUT4 im Myokard zwischen den einzelnen Behandlungen der Tiere beschrieben werden. Ferner konnte zwischen den einzelnen Tiergruppen auch kein Unterschied zwischen dem Insulin Rezeptor Substrat-1 (IRS-1) und seiner Tyrosin-phosphorylierten Form festgestellt werden, die für die Aktivierung und Translokation des GLUT4 benötigt werden. Analysen der Genexpression in den Herzen der SH-Ratten konnten allerdings zeigen, dass die Gene ei4Ebp1 und Frap1, die im mTOR Signalweg involviert sind, bei den Östrogen-supplementierten Tieren ein abweichendes Expressionsmuster aufweisen. Über diese Gene ist bekannt, dass sie in der Gegenwart von Glucose im Herzen aktiviert werden und bei der Entstehung einer Herzhypertrophie mitwirken. Basierend auf den PET-Analysen und der Hexokinaseaktivität lässt sich als Resultat dieser Arbeit aussagen, dass Östrogen die kardiale Glucoseaufnahme in SH-Ratten fördert. Diese Ergebnisse könnten einen Hinweis auf einen noch unbekannten Mechanismus geben, um die protektive Wirkung des Östrogens im Hinblick auf die Herzhypertrophie zu erklären. Hinsichtlich der Tatsache, dass keine Veränderungen in der Translokation der GLUT4-Transporter in der Plasmamembran bei den einzelnen Behandlungen der Tiere zu verzeichnen sind, jedoch Veränderungen der Glucoseaufnahme durch die PET-Analysen dargestellt werden konnten, besteht jedoch noch Erklärungsbedarf. Es liegen diverse Studien vor, die diesen Unterschied damit erklären könnten, dass der GLUT4-Transporter in einer inaktiven Form in der Plasmamembran vorliegt bis die Glucoseaufnahme durch den GLUT4-Transporter mittels der Insulin Signaltransduktionskaskade reguliert wird. KW - estrogen KW - estrogen receptor KW - cardiac hypertrophy KW - cardiac metabolism KW - Glut4 KW - estrogen KW - estrogen receptor KW - cardiac hypertrophy KW - cardiac metabolism KW - Glut4 KW - estrogen KW - estrogen receptor KW - cardiac hypertrophy KW - cardiac metabolism KW - Glut4 Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-35911 ER - TY - THES A1 - Stetter, Christian E. T1 - In vivo Untersuchung des kardialen Stoffwechsels bei Morbus Fabry mittels 31Phosphor-MR-Spektroskopie T1 - Cardiac metabolism in Fabry disease measured in vivo with 31Phosphor Magnetic Resonance Spectroscopy N2 - Der Morbus Fabry ist eine lysosomale Speicherkrankheit, die auf einem Mangel des Enzyms a-Galaktosidase A beruht. Die Krankheit wird X-chromosomal rezessiv vererbt und entsteht durch Mutation des a-Galaktosidase-Gens auf dem langen Arm des Chromosoms Xq22. Durch die erniedrigte bzw. fehlende Enzymaktivität kommt es zu einer übermäßigen Ablagerung von Glykosphingolipiden in sämtlichen Geweben des menschlichen Körpers, besonders betroffen sind Herz, Nieren, Gefäße und ZNS. Die Krankheit ist durch einen progredienten Verlauf und einer eingeschränkten Lebenserwartung gekennzeichnet. Insbesondere die kardialen Auswirkungen wie Herzrhythmusstörungen, Klappenvitien und linksventrikuläre Hypertrophie führen zur Herzinsuffizienz und fast immer zu einem meist frühzeitigen Tod durch Herzversagen. Seit einiger Zeit steht in der Enzymersatztherapie mit rekombinanter a-Galaktosidase A (Agalsidase) eine kausale Behandlung zur Verfügung. Unter der Therapie mit Agalsidase zeigen sich auch Verbesserungen der kardialen Parameter, insbesondere eine Reduktion der linksventrikulären Masse. Zur Kontrolle und zur Dokumentation der medikamentösen Wirkung an den verschiedenen Organen waren und sind klinische Studien und Untersuchungen der betroffenen Patienten notwendig. Zur Beurteilung der kardialen Funktion steht, neben den bekannten Routineverfahren wie der Echokardiographie und der MR-Bildgebung, mit der 31P-Magnetresonanz-Spektroskopie ein nicht invasives Verfahren zur Beurteilung des myokardialen Stoffwechsels zur Verfügung. Mit Hilfe von speziellen Auswerteprogrammen können die Absolutkonzentrationen von energiereichen Metaboliten, besonders von Phosphokreatin und Adenosintriphosphat, im Herzmuskel in vivo bestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war zunächst einmal die Messung der Konzentrationen der energiereichen Metabolite im Myokard von Patienten mit Morbus Fabry und der Vergleich der Daten mit denen von gesunden Probanden. Des weiteren wurde die Patientengruppe unter Therapie mit Agalsidase b einer frühen und einer späten Kontrolluntersuchung mittels MR-Spektroskopie unterzogen, um Veränderungen im kardialen Metabolismus darzustellen. Die spektroskopischen Daten gaben Aufschluss über Ausmaß der Beeinträchtigung des myokardialen Stoffwechsels aufgrund der Gb3-Ablagerungen und ergänzten die klinischen und bildmorphologischen Untersuchungen. Hierbei konnte eine tendenzieller Anstieg der PCr- und ATP-Konzentrationen unter ERT im Myokard nachgewiesen werden, gleichfalls zeigten sich in dem untersuchten Kollektiv eine Abnahme der linksventrikulären Masse und eine erhöhte Ejektionsfraktion. Ebenso konnte dargelegt werden, dass wie auch bei anderen Herzerkrankungen, wie zum Beispiel der dilatativen Kardiomyopathie oder der koronaren Herzkrankheit, bei einer Stoffwechselerkrankung wie der Fabry-Krankheit deutlich verringerte Konzentrationen energiereicher Phosphate in den Herzmuskelzellen vorliegen. N2 - Fabry disease is a X-linked inborn metabolic defect of the lysosomal enzyme a-galactosidase A. The lack of a-galactosidase A causes an intracellular accumulation of glycosphingolipids, mainly globotriaosylceramide. The signs and symptoms of this disease are various, mainly affected organs are heart, kidneys, vascular endothelium, brain and the nervous system. Cardiac involvement is frequent and leads to progressive heart failure. Beside supportive treatment of the symptoms, a new specific therapy with recombinant enzyme is now available. Examination of the cardiac function of patients undergoing enzyme replacement therapy is necessary and only 31P magnetic resonace spectroscopy allows a non-invasive asessment of high-energy metabolites in the myocardium. KW - NMR-Spektroskopie KW - Fabry-Krankheit KW - NMR-Tomographie KW - Herzstoffwechsel KW - Fabry disease KW - MR-spectroscopy KW - cardiac metabolism KW - cardiac spectroscopy Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27344 ER -