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In den letzten Jahren rückten Androgene verstärkt ins Zentrum der Diskussion, weil sie mit negativen Wirkungen auf das kardiovaskuläre System assoziiert wurden. Ein methodisches Problem vieler Studien bestand jedoch darin, dass individuelle Eigenschaften (genetische Prädisposition, Alter, Ernährungs- bzw. Trainingszustand) und Umweltfaktoren (Art des Androgenderivats, eiweißreiche Kost, gleichzeitige Einnahme anderer Hormonpräparate) unberücksichtigt blieben. Zudem wurde oftmals keine Trennung nach dem Geschlecht vorgenommen. Zur Erforschung der kardiovaskulären Bedeutung von Testosteron wurden daher Untersuchungen an männlichen Ratten durchgeführt, die neutrale bis positive Effekte des Hormons Testosteron auf das kardiale Remodeling nach Myokardinfarkt ergaben. Dagegen ist über den Einfluss von Testosteron auf das postinfarzielle Remodeling beim weiblichen Geschlecht bis heute nicht viel bekannt. Deshalb war es das Ziel dieser Arbeit, die Effekte von Testosteron auf das kardiale Remodeling nach Myokardinfarkt bei weiblichen Ratten zu untersuchen. Dazu wurden weibliche Wistar-Ratten nach Ovarektomie physiologisch mit Östradiol substituiert, selektiv mit supraphysiologischen Dosierungen von Testosteronundecanoat behandelt oder mit einer Kombination aus Östradiol und Testosteronundecanoat therapiert. In Woche 2 nach Beginn der Hormonbehandlung wurde eine Scheininfarzierung bzw. Infarzierung durchgeführt, in Woche 10 erfolgte eine Echokardiographie und in Woche 11 fanden hämodynamische Untersuchungen sowie die Perfusion der Herzen nach Langendorff statt. Im Anschluss wurden molekularbiologische Bestimmungen des α/β-MHC-Quotienten, von IGF-I und des Kollagengehalts am Herzen vorgenommen. Der Hauptbefund dieser Studie war, dass die chronisch-anabole Gabe des Hormons Testosteron bei weiblichen Ratten ein geschlechtsspezifisches Remodeling mit führender linksventrikulärer Dilatation nach Myokardinfarkt induzierte. Diese zusätzliche postinfarzielle Dilatation des linken Ventrikels unter der Behandlung mit Testosteron wurde in der Echokardiographie und der Rechtsverschiebung der linksventrikulären Druck-Volumen-Kurven bei der Langendorff-Perfusion sichtbar, die mit einer signifikant erhöhten Vorlast bis zum Erreichen der maximalen Druckamplitude des linken Ventrikels verbunden war. Unabhängig davon zeigte sich die zusätzliche testosteroninduzierte Dilatation nach Myokardinfarkt in der Planimetrie durch eine signifikante Zunahme der Innenquerschnittsfläche des linken Ventrikels. Studien in der Vergangenheit haben bereits einen Zusammenhang zwischen einer postinfarziellen Dilatation des linken Ventrikels und einer Verschlechterung der Langzeitprognose nach Myokardinfarkt belegt, weshalb die zusätzliche testosteroninduzierte Dilatation des linken Ventrikels nach Myokardinfarkt als Indiz für einen negativen Testosteroneffekt auf den Prozess des postinfarziellen Remodelings bei weiblichen Ratten gewertet werden könnte. Zudem wurden unter der Behandlung mit Testosteron versus Östradiol bei weiblichen Ratten eine signifikant stärkere Zunahme des absoluten Körper- und Herzgewichts nach Myokardinfarkt sowie eine Hypertrophie des linken Ventrikels nachgewiesen. Einen weiteren Hinweis auf einen nachteiligen Effekt von Testosteron auf das postinfarzielle Remodeling bei weiblichen Ratten gab die signifikant reduzierte Verkürzungsfraktion nach Gabe von Testosteron versus Östradiol in der Echokardiographie, wodurch eine testosteroninduzierte Verschlechterung der kardialen Funktion nach Myokardinfarkt angezeigt wurde. Zudem konnte bereits an den scheininfarzierten Versuchsreihen auf Proteinebene eine tendenzielle Abnahme des α/β-MHC-Quotienten unter der Therapie mit Testosteron im Vergleich zu Östradiol nachgewiesen werden, wodurch ein weiterer Beleg für eine Einschränkung der kardialen Leistungsfähigkeit unter supraphysiologischem Testosteroneinfluss geliefert wurde. Mittels Northern-Blot wurde bei den weiblichen scheininfarzierten Versuchsreihen unter der Behandlung mit Testosteron ein Anstieg von IGF-1 registriert, während der Kollagengehalt des linken Ventrikels durch den Hormonstatus nicht beeinflusst wurde. Zusammenfassend scheint Testosteron am Herzen von weiblichen Ratten geschlechtsspezifische Wirkungen zu entfalten, die das kardiale Remodeling nach Myokardinfarkt möglicherweise auch langfristig negativ beeinflussen.
Current therapeutic strategies efficiently improve survival in patients after myocardial infarction (MI). Nevertheless, long-term consequences such as heart failure development, are still one of the leading causes of death worldwide. Inflammation is critically involved in the cardiac healing process after MI and has a dual role, contributing to both tissue healing and tissue damage. In the last decade, a lot of attention was given to targeting inflammation as a potential therapeutic approach in MI, but the poor understanding of inflammatory cell heterogeneity and function is a limit to the development of immune modulatory strategies. The recent development of tools to profile immune cells with high resolution has provided a unique opportunity to better understand immune cell heterogeneity and dynamics in the ischemic heart.
In this thesis, we employed single-cell RNA-sequencing combined with detection of epitopes by sequencing (CITE-seq) to refine our understanding of neutrophils and monocytes/macrophages heterogeneity and dynamic after experimental myocardial infarction.
Neutrophils rapidly invade the infarcted heart shortly after ischemic damage and have previously been proposed to display time-dependent functional heterogeneity. At the single-cell level, we observed dynamic transcriptional heterogeneity in neutrophil populations during the acute post-MI phase and defined previously unknown cardiac neutrophil states. In particular, we identified a locally acquired SiglecFhi neutrophil state that displayed higher ROS production and phagocytic ability compared to newly recruited neutrophils, suggesting the acquisition of specific function in the infarcted heart. These findings highlight the importance of the tissue microenvironment in shaping neutrophil response.
From the macrophage perspective, we characterized MI-associated monocyte-derived macrophage subsets, two with a pro-inflammatory gene signature (MHCIIhiIl1βhi) and three Trem2hi macrophage populations with a lipid associated macrophage (LAM) signature, also expressing pro-fibrotic and tissue repair genes. Combined analysis of blood monocytes and cardiac monocyte/macrophages indicated that the Trem2hi LAM signature is acquired in the infarcted heart.
We furthermore characterized the role of TREM2, a surface protein expressed mainly in macrophages and involved in macrophage survival and function, in the post-MI macrophage response and cardiac repair. Using TREM2 deficient mice, we demonstrate that acquisition of the LAM signature in cardiac macrophages after MI is partially dependent on TREM2. While their cardiac function was not affected, TREM2 deficient mice showed reduced collagen deposition in the heart after MI. Thus, our data in Trem2-deficient mice highlight the role of TREM2 in promoting a macrophage pro-fibrotic phenotype, in line with the pro-fibrotic/tissue repair gene signature of the Trem2hi LAM-signature genes.
Overall, our data provide a high-resolution characterization of neutrophils and macrophage heterogeneity and dynamics in the ischemic heart and can be used as a valuable resource to investigate how these cells modulate the healing processes after MI. Furthermore, our work identified TREM2 as a regulator of macrophage phenotype in the infarcted heart
Purpose
To fully automatically derive quantitative parameters from late gadolinium enhancement (LGE) cardiac MR (CMR) in patients with myocardial infarction and to investigate if phase sensitive or magnitude reconstructions or a combination of both results in best segmentation accuracy.
Methods
In this retrospective single center study, a convolutional neural network with a U-Net architecture with a self-configuring framework (“nnU-net”) was trained for segmentation of left ventricular myocardium and infarct zone in LGE-CMR. A database of 170 examinations from 78 patients with history of myocardial infarction was assembled. Separate fitting of the model was performed, using phase sensitive inversion recovery, the magnitude reconstruction or both contrasts as input channels.
Manual labelling served as ground truth. In a subset of 10 patients, the performance of the trained models was evaluated and quantitatively compared by determination of the Sørensen-Dice similarity coefficient (DSC) and volumes of the infarct zone compared with the manual ground truth using Pearson’s r correlation and Bland-Altman analysis.
Results
The model achieved high similarity coefficients for myocardium and scar tissue. No significant difference was observed between using PSIR, magnitude reconstruction or both contrasts as input (PSIR and MAG; mean DSC: 0.83 ± 0.03 for myocardium and 0.72 ± 0.08 for scars). A strong correlation for volumes of infarct zone was observed between manual and model-based approach (r = 0.96), with a significant underestimation of the volumes obtained from the neural network.
Conclusion
The self-configuring nnU-net achieves predictions with strong agreement compared to manual segmentation, proving the potential as a promising tool to provide fully automatic quantitative evaluation of LGE-CMR.
Die Pathophysiologie der Herzinsuffizienz nach Myokardinfarkt ist bestimmt durch neurohumorale Aktivierung und durch Umbauprozesse sowohl in der Infarktregion als auch im überlebenden Myokard, dem sog. linksventrikulären (LV) Remodeling. Eine fortschreitende Ausdünnung und Vergrößerung des Infarktareals (Infarktexpansion) findet in den ersten Tagen nach Myokardinfarkt statt. Eine Verbesserung der Narben-dicke vermindert die Wandspannung und verhindert die Infarktexpansion, genauso wie das Remodeling in nichtinfarzierten Bereichen. Schon mehrfach wurde beschrieben, dass sich eine Hemmung des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems positiv auf das LV Remodeling auswirkt. In der EPHESUS-Studie (Eplerenone Post acute myocardial infarction Heart failure Efficacy and SUrvival Study) führte eine Mineralkortikoid-rezeptor (MR)-Blockade mit Eplerenon, die zwischen dem 3. und 14. Tag nach Infarkt zusätzlich zur optimalen Standardtherapie begonnen wurde, bereits 30 Tage nach Therapiebeginn zu einer Mortalitätssenkung von 30%. In der vorliegenden Studie wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine MR-Blockade in der Akutphase nach Infarkt die Heilung des infarzierten Myokards begünstigt. Ziel dieser Untersuchungen war es herauszufinden, ob eine sofortige MR-Blockade nach experimentellem Myokardinfarkt günstige Auswirkungen auf Hämodynamik, Infarkt-expansion und Neovaskularisation zeigt, mit Betonung auf zugrunde liegenden zellulären und molekularen Ereignissen. Dazu wurden männliche Wistar-Ratten sofort nach experimenteller Infarzierung durch Koronarligatur oder Scheinoperation (Sham) mit dem selektiven MR-Antagonisten Eplerenon (100 mg/kg/d) oder Placebo für zwei bis sieben Tage behandelt. Nach Ablauf der Behandlungsdauer wurden hämodynamische Messungen durchgeführt und anschließend Blutproben sowie das Herz für weitere Untersuchungen entnommen. Nach Myokardinfarkt fanden sich Zeichen einer ausgeprägten LV Dysfunktion und Veränderungen der Ventrikelmorphologie. Nach sieben Tagen Eplerenontherapie konnte, im Vergleich zur Placebogruppe, eine erheblich reduzierte Ausdünnung und Dilatation der infarzierten Wand, eine verbesserte LV Funktion und eine gesteigerte Gefäßneubildung im verletzten Myokard beobachtet werden. Der MR-Antagonismus beschleunigte die Infiltration von Monozyten im infarzierten Myokard, verbunden mit einem erhöhten Spiegel von Monocyte Chemoattractant Protein-1 sowie einem niedrigeren Plasmacorticosteronspiegel zwei Tage nach Infarkt. Darüber hinaus führte die MR-Blockade zu einer vorübergehenden Zunahme von Zytokinen am zweiten und dritten Tag und einer Erhöhung der Proteinexpression von Faktor XIIIa im heilenden Myokard. Die immunhistochemische Färbung zeigte mehr Faktor XIIIa-positive Makrophagen nach MR-Hemmung, die bei der Infarktheilung eine wichtige Rolle spielen. Eine Verhinderung der Makrophagen-infiltration in die Infarktzone durch Behandlung mit Liposom-verkapseltem Clodronat hob die Faktor XIIIa-Expression und die nützlichen Wirkungen von Eplerenon auf die Infarktexpansion und frühe LV Dilatation nahezu auf. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich eine MR-Blockade mit Eplerenon unmittelbar nach Myokardinfarkt sehr positiv auf die frühe Heilungsantwort im verletzten Myokard auswirkt. Dieser Benefit wird durch eine beschleunigte Makrophageninfiltration und eine vorübergehend erhöhte Expression heilungsfördernder Zytokine und Faktor XIIIa im infarzierten Myokard erreicht. Dies führt zu einer gesteigerten Neovaskularisation sowie zu einer Reduktion der frühen LV Dilatation und Dysfunktion.
A 74-year-old man was admitted to the cardiac catheterization laboratory with acute myocardial infarction. After successful angioplasty and stent implantation into the right coronary artery, he developed cardiogenic shock the following day. Echocardiography showed ventricular septal rupture. Cardiac magnet resonance imaging (MRI) was performed on the critically ill patient and provided detailed information on size and localization of the ruptured septum by the use of fast MRI sequences. Moreover, the MRI revealed that the ventricular septal rupture was within the myocardial infarction area, which was substantially larger than the rupture. As the patient’s condition worsened, he was intubated and had intra-aortic balloon pump implanted, and extracorporeal membrane oxygenation was initiated. During the following days, the patient’s situation improved, and surgical correction of the ventricular septal defect could successfully be performed. To the best of our knowledge, this case report is the first description of postinfarction ventricular septal rupture by the use of cardiac MRI in an intensive care patient with cardiogenic shock and subsequent successful surgical repair.
Cardiovascular diseases (CVD), subsuming atherosclerosis of the coronary arteries and subsequent myocardial infarction, are the leading cause of death in the European Union (over 4 million deaths annually), with devastating individual and economic consequences.
Recent studies revealed that T cells play a crucial role in post-MI inflammation, healing and remodelling processes. Nevertheless, the specificity profile of adaptive immune responses in the infarcted myocardium has not yet been differentiated. The experiments portrayed in this thesis sought to assess whether post-MI CD4+ T cell responses in mice are triggered by heart specific antigens, and eventually identify relevant epitopes.
We were able to create a murine antigen atlas including a list of 206 epitopes for I-Ab and 193 epitopes for I-Ad presented on MHC-II in the context of MI. We sought to consecutively test this panel by in vitro T cell proliferation and antigen recall assays ex vivo. The elispot assay was used as a readout for antigen-specific stimulation by measurement of IL-2 and IFN-γ production, currently the most sensitive approach available to detect even small counts of antigen producing cells. Splenocytes as well as lymphocytes from mediastinal lymph nodes were purified from animals 7 days or 56 days after EMI conducted by ligation of the left anterior descending artery.
We were able to provide evidence that post-MI T cell responses in Balb/c mice are triggered by heart-specific antigens and that MYHCA, especially MYHCA614-628, is relevant for that response. Moreover, a significant specific T cell response after MI in C57BL/6J mice was observed for α actin, cardiac muscle 1 [ACTC1], myosin-binding protein C3 [MYBPC3] and myosin heavy chain α [MYHCA] derived heart specific antigens.
Generally, the epitopes of interest for Balb/c as well as C57BL/6J could be further investigated and may eventually be modulated in the future.