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Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen im Alter führende Todesursachen in der westlichen Welt dar. Der Proteinkinase B, auch AKT genannt, kommt am Herzen eine zentrale Rolle bezüglich der Organogenese zu. Ihre Funktion wird in Verbindung mit der Insulinwirkung, dem Einfluss auf den Kohlenhydrat-stoffwechsel sowie die Steuerung von Entwicklung und Differenzierung von Geweben durch Modulation des Zellüberlebens, des Zellwachstum und der Zellteilung diskutiert. Auch das postnatale Herzwachstum in physiologischer sowie pathologischer Ausprägung wird durch den PKB/AKT-Signalweg reguliert. Diez et al.zeigten bei seneszenten Kardiofibroblasten der Ratte in vitro eine reduzierte Expression der PKB/AKT-1. Auch bei Myokard-Biopsaten von jungen und alten Patienten (ohne Myokardpathologie) konnte gezeigt werden, dass die Expressionstärke der AKT-1/PKB mit dem Alter abnahm. Die vorliegende Arbeit sollte die Frage klären ob AKT/PKB zu einer veränderten Expression von extrazellulären Matrix-Proteinen, die sie abbauenden Matrixmetalloproteinasen bzw. deren Inhibitoren führt und damit zu einer Umstrukturierung der Extrazellulären Matrix im Sinne einer Fibrose des Myokards beitragen könnte. Nach adenoviraler Transfektion von Kardiofibroblasten mit einer konstitutiv aktiven bzw. inaktiven PKB/AKT-Mutanten, erfolgte die Analyse der differentiellen Genexpression fibroserelevanter Gene mittels RT-PCR und Agarosegelelektrophorese in drei verschiedenen Zellzuständen. Die Auswertung der gewonnen Daten zeigte, dass von den untersuchten Genen lediglich die Matrix-Metalloproteinasen (MMPs).-2/-9/-13 einer deutlichen Regulation unterworfen sind. Die Darstellung auf Proteinebene gelang für die MMP-9 und MMP-2 letztendlich mittels Zymographie. Bezugnehmend auf die Fragestellung zeigte sich bei der durchgeführten Genexpressionsanalyse fibroserelevanter Gene eine Regulation der MMP-2/-9 und -13 durch die PKB/AKT auf m-RNS-Ebene, mit deutlichem Anstieg der für die MMP-9 und MMP-13 kodierenden m-RNS bei Inaktivierung der PKB/AKT. Auf Proteinebene besteht lediglich bei der MMP-9 eine entsprechende Änderung der Proteinmenge. Die MMP-2-Enzymmenge zeigte sich auf basalem Expressionsniveau als nicht reguliert. Die MMP-13 konnte zymographisch nicht nachgewiesen werden. Bezugnehmend auf die durch Diez et al. gefundene Herabregulation der PKB-Akt in seneszenten Kardiofibroblasten der Ratte könnte die in der Arbeit gezeigte Steigerung der Genexpression der MMP-2/-9 und 13 die Voraussetzung eines zur Fibrose führenden Remodelings der kardialen extrazellulären Matrix im Sinne einer Degradation der EZM darstellen. Nach Schram und Sweeney et al. kann sich ein Remodeling der extrazellulären Matrix des Herzens schwerpunktmäßig sowohl als Veränderungen in der Synthese von matrixbildenden Proteinen als auch in Veränderungen der Expression und Aktivität von MMPs und TIMPs darstellen. Neben der wichtigen Wirkung eines antiapoptotischen Zellschutzes könnte die Serin-Threonin-Kinase PKB/AKT mit an der Entstehung einer myokardialen Fibrose beteiligt sein. Weitere Untersuchungen sind aber nötig, diese Frage eindeutig zu klären.
Background
Arrhythmogenic cardiomyopathy is an inherited heart muscle disorder leading to ventricular arrhythmias and heart failure, mainly as a result of mutations in cardiac desmosomal genes. Desmosomes are cell-cell junctions mediating adhesion of cardiomyocytes; however, the molecular and cellular mechanisms underlying the disease remain widely unknown. Desmocollin-2 is a desmosomal cadherin serving as an anchor molecule required to reconstitute homeostatic intercellular adhesion with desmoglein-2. Cardiac specific lack of desmoglein-2 leads to severe cardiomyopathy, whereas overexpression does not. In contrast, the corresponding data for desmocollin-2 are incomplete, in particular from the view of protein overexpression. Therefore, we developed a mouse model overexpressing desmocollin-2 to determine its potential contribution to cardiomyopathy and intercellular adhesion pathology.
Methods and results
We generated transgenic mice overexpressing DSC2 in cardiac myocytes. Transgenic mice developed a severe cardiac dysfunction over 5 to 13 weeks as indicated by 2D-echocardiography measurements. Corresponding histology and immunohistochemistry demonstrated fibrosis, necrosis and calcification which were mainly localized in patches near the epi- and endocardium of both ventricles. Expressions of endogenous desmosomal proteins were markedly reduced in fibrotic areas but appear to be unchanged in non-fibrotic areas. Furthermore, gene expression data indicate an early up-regulation of inflammatory and fibrotic remodeling pathways between 2 to 3.5 weeks of age.
Conclusion
Cardiac specific overexpression of desmocollin-2 induces necrosis, acute inflammation and patchy cardiac fibrotic remodeling leading to fulminant biventricular cardiomyopathy.
Transgene Mausmodelle zur Charakterisierung der Funktion kardialer beta-adrenerger Rezeptoren
(2001)
In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion kardialer beta-adrenerger Rezeptoren mit Hilfe einer Kombination aus transgenen Mausmodellen und physiologischen und molekularbiologischen Methoden untersucht. Durch gezielte Überexpression des humanen beta1-adrenergen Rezeptors im Herzen transgener Mäuse konnte gezeigt werden, daß die chronische Aktivierung dieses Rezeptors eine trophische Wirkung auf die Herzmuskelzellen hat. Über einen Zeitraum von mehreren Monaten führte dies zur Entwicklung einer Herzinsuffizienz. In der menschlichen Herzinsuffizienz kommt es zu einem ähnlichen Phänomen: Durch deutlich erhöhte Freisetzung von endogenen Katecholaminen kommt es zu einer chronischen Dauerstimulation kardialer beta1-adrenerger Rezeptoren. Daß diese schädlich ist belegen das hier beschriebene Mausmodell und zudem einige neuere klinische Studien, die zeigen daß eine pharmakologische Blockade beta-adrenerger Rezeptoren zu einer Verminderung der Herzinsuffizienzmortalität führt. Dieses Mausmodell erlaubte es erstmals den beta1-adrenergen Rezeptor hinsichtlich seiner spontanen Rezeptoraktivität in einem physiologischen Modell zu untersuchen. Dabei zeigte sich, daß der humane beta1-adrenerge Rezeptor spontane Aktivität aufweist, jedoch in einem deutlich geringeren Ausmaß als der beta2-adrenerge Rezeptor. Dies könnte klinisch relevant sein, da klinisch verwendete beta-Rezeptor-Antagonisten die spontane Aktivität des beta1-adrenergen Rezeptors in unserem Modell unterschiedlich stark unterdrückten. In der vorliegenden Arbeit wurde zudem untersucht, ob sich die beiden kardial exprimierten Beta-Rezeptor-Subtypen Beta1 und Beta2 hinsichtlich ihrer Signaltransduktion unterscheiden. Ausgehend von dem Befund, daß die chronische Aktivierung der beiden Subtypen in transgenen Mausmodellen zu deutlich unterschiedlichen Phänotypen führt, wurden verschiedene intrazelluläre Signalwege auf ihre Aktivierung hin überprüft. Abweichend von publizierten, in vitro nach kurzzeitiger Rezeptorstimulation erhobenen Daten zeigte sich, daß die chronische Aktivierung der Rezeptorsubtypen zu einer unterschiedlichen Aktivierung der kardialen MAP-kinasen (ERK) führt. Die beta1-spezifische Aktivierung dieser Kinasen könnte die beobachtete unterschiedliche Hypertrophieentwicklung in diesen beiden Mausmodellen erklären. Einen weiteren Schwerpunkt bei der Aufklärung des Mechanismus beta-adrenerg induzierter Hypertrophie bildete die Untersuchung der zellulären Calcium-homöostase. Als früheste funktionelle Veränderung in der Entwicklung einer beta-adrenerg induzierten Herzhypertrophie und -insuffizienz trat dabei eine Störung des intrazellulären Calciumtransienten auf. Als möglicher Mechanismus für die Störung des Calciumhaushalts konnte eine zeitgleich auftretende veränderte Expression des Calcium-regulierenden Proteins Junctin beschrieben werden. Einen neuen therapeutischen Ansatz für die Therapie der Herzinsuffizienz könnten schließlich vielleicht die Untersuchungen zum kardialen Na/H-austauscher ergeben: Es konnte erstmals gezeigt werden, daß der kardiale Na/H-Austauscher maßgeblich an der beta-adrenerg induzierten Herzhypertrophie- und Fibrose-entstehung beteiligt ist und daß die pharmakologische Inhibition dieses Proteins sowohl Hypertrophie als auch die Fibrose wirksam unterdrücken kann.
Fibrosis is a pivotal player in heart failure development and progression. Measurements of (markers of) fibrosis in tissue and blood may help to diagnose and risk stratify patients with heart failure, and its treatment may be effective in preventing heart failure and its progression. A lack of pathophysiological insights and uniform definitions has hampered the research in fibrosis and heart failure. The Translational Research Committee of the Heart Failure Association discussed several aspects of fibrosis in their workshop. Early insidious perturbations such as subclinical hypertension or inflammation may trigger first fibrotic events, while more dramatic triggers such as myocardial infarction
and myocarditis give rise to full blown scar formation and ongoing fibrosis in diseased hearts. Aging itself is also associated with a cardiac phenotype that includes fibrosis. Fibrosis is an extremely heterogeneous phenomenon, as several stages of the fibrotic process exist, each with different fibrosis subtypes and a different composition of various cells and proteins — resulting in a very complex pathophysiology. As a result, detection of fibrosis, e.g. using current cardiac imaging modalities or plasma biomarkers, will detect only specific subforms of fibrosis, but cannot capture all aspects of the complex fibrotic process. Furthermore, several anti-fibrotic therapies are under investigation, but such therapies generally target aspecific aspects of the fibrotic process and suffer from a lack of precision. This review discusses the mechanisms and the caveats and proposes a roadmap for future research.
Hepatic stellate cells (HSCs) are also known as lipocytes, fat-storing cells, perisinusoidal cells, or Ito cells. These liver-specific mesenchymal cells represent about 5% to 8% of all liver cells, playing a key role in maintaining the microenvironment of the hepatic sinusoid. Upon chronic liver injury or in primary culture, these cells become activated and transdifferentiate into a contractile phenotype, i.e., the myofibroblast, capable of producing and secreting large quantities of extracellular matrix compounds. Based on their central role in the initiation and progression of chronic liver diseases, cultured HSCs are valuable in vitro tools to study molecular and cellular aspects of liver diseases. However, the isolation of these cells requires special equipment, trained personnel, and in some cases needs approval from respective authorities. To overcome these limitations, several immortalized HSC lines were established. One of these cell lines is CFSC, which was originally established from cirrhotic rat livers induced by carbon tetrachloride. First introduced in 1991, this cell line and derivatives thereof (i.e., CFSC-2G, CFSC-3H, CFSC-5H, and CFSC-8B) are now used in many laboratories as an established in vitro HSC model. We here describe molecular features that are suitable for cell authentication. Importantly, chromosome banding and multicolor spectral karyotyping (SKY) analysis demonstrate that the CFSC-2G genome has accumulated extensive chromosome rearrangements and most chromosomes exist in multiple copies producing a pseudo-triploid karyotype. Furthermore, our study documents a defined short tandem repeat (STR) profile including 31 species-specific markers, and a list of genes expressed in CFSC-2G established by bulk mRNA next-generation sequencing (NGS).
Ziel dieser klinisch prospektiven Studie ist es myokardiale Fibrose bei Patienten mit hochgradiger symptomatischer Aortenklappenstenose nicht invasiv zu detektieren und ihren Einfluss auf das klinische Langzeitergebnis und auf regionale Deformationseigenschaften des linken -und rechten Ventrikels mittels neuerern echokardiographischen Verfahren wie der Gewebedopplertechnik vor und im Verlauf nach Aortenklappenersatz zu quantifizieren. Methoden: Bei 58 Patienten wurden intraoprativ Biopsien aus dem linken Ventrikel zur histologischen Beurteilung myokardialer Fibrose entnommen und im Serum Biomarker für Fibrose und chronische linksventrikuläre Druckbelastung vor Aortenklappenersatz bestimmt. Zusätzlich wurde bei allen Patienten eine koventionelle Echokardiographie (Beurteilung der globalen Herzfunktion mittels Ejektions Fraktion) zusammen mit einer Strain Rate Imaging Studie (Beurteilung regionaler Myokardfunktion) vor -, 14 Tage nach- und 9 Monate nach Aortenklappenersatz (AKE) durchgeführt. Des Weiteren wurde vor sowie 9 Monate nach AKE eine Gadolinium Late-Enhancement (LE) Magentresonaztomographie (MRT) Studie durchgeführt. (Detektion und Kontrolle der Myokardfibrose) Ergebnisse: Alle Patienten wurden gemäß des Schweregrades der Myokardfibrose aus den Biopsien in drei Gruppen eingeteilt. Gruppe Fibrose φ (n=21 keine Fibrose); Gruppe Fibrose I° (n=15 leichtgradige Fibrose); Gruppe Fibrose II° (n=22 hochgradige Fibrose). Biomarker für Fibrose und chronisch linksventrikukäre Druckbelastung P-III- N-P und NT-pro-BNP waren signifikant niedriger in Gruppe 1 gegenüber den beiden anderen Gruppen. An Hand der globalen Ejektions Fraktion waren Patienten aller drei Gruppen nicht zu unterscheiden. Im Gegensatz dazu war die regionale sytolische Funktion der Gruppe 1 im Vergleich zu Gruppe 3 signifikant höher. Gruppe 3 zeigte vor AKE häufiger und ausgeprägter LE im MRT, das auch neun Monate nach AKE unverändert war. Neun Monate nach Aortenklappenersatz konnte ein signifikant niedrigeres NYHA-Stadium in Gruppe 1 gegenüber Gruppe 3 dokumentiert werden. Zusammenfassung: Diese Daten lassen vermuten, dass bei Patienten mit hochgradiger Aortenklappenstenose myokardiale Fibrose einen signifikanten Einluss auf den klinischen Verlauf und auf die regionale Myokardfunktion hat sowie nicht invasiv detektiert und funktionell mittels Gewebedoppler evaluiert werden kann
Objectives
Liver biopsies are the current gold standard in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) diagnosis. Their invasive nature, however, still carries an increased risk for patients' health. The development of non-invasive diagnostic tools to differentiate between bland steatosis (NAFL) and NASH remains crucial. The aim of this study is the evaluation of investigated circulating microRNAs in combination with new targets in order to optimize the discrimination of NASH patients by non-invasive serum biomarkers.
Methods
Serum profiles of four microRNAs were evaluated in two cohorts consisting of 137 NAFLD patients and 61 healthy controls. In a binary logistic regression model microRNAs of relevance were detected. Correlation of microRNA appearance with known biomarkers like ALT and CK18-Asp396 was evaluated. A simplified scoring model was developed, combining the levels of microRNA in circulation and CK18-Asp396 fragments. Receiver operating characteristics were used to evaluate the potential of discriminating NASH.
Results
The new finding of our study is the different profile of circulating miR-21 in NASH patients (p<0.0001). Also, it validates recently published results of miR-122 and miR-192 to be differentially regulated in NAFL and NASH. Combined microRNA expression profiles with CK18-Asp396 fragment level scoring model had a higher potential of NASH prediction compared to other risk biomarkers (AUROC = 0.83, 95% CI = 0.754-0.908; p<0.001). Evaluation of score model for NAFL (Score = 0) and NASH (Score = 4) had shown high rates of sensitivity (91%) and specificity (83%).
Conclusions
Our study defines candidates for a combined model of miRNAs and CK18-Asp396 levels relevant as a promising expansion for diagnosis and in turn treatment of NASH.
Background: Non-alcoholic steatohepatitis (NASH) and fibrosis are the main prognostic factors in non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). The FIB-4 score has been suggested as an initial test for the exclusion of progressed fibrosis. However, increasing evidence suggests that also NASH patients with earlier fibrosis stages are at risk of disease progression, emphasizing the need for improved non-invasive risk stratification. Methods: We evaluated whether the apoptosis biomarker M30 can identify patients with fibrotic NASH despite low or intermediate FIB-4 values. Serum M30 levels were assessed by ELISA, and FIB-4 was calculated in an exploration (n = 103) and validation (n = 100) cohort of patients with histologically confirmed NAFLD. Results: The majority of patients with low FIB-4 (cut-off value < 1.3) in the exploration cohort revealed increased M30 levels (>200 U/L) and more than 80% of them had NASH, mostly with fibrosis. NASH was also detected in all patients with intermediate FIB-4 (1.3 to 2.67) and elevated M30, from which ~80% showed fibrosis. Importantly, in the absence of elevated M30, most patients with FIB-4 < 1.3 and NASH showed also no fibrosis. Similar results were obtained in the validation cohort. Conclusions: The combination of FIB-4 with M30 enables a more reliable identification of patients at risk for progressed NAFLD and might, therefore, improve patient stratification.
Background
The origin of αSMA-positive myofibroblasts, key players within organ fibrosis, is still not fully elucidated. Pericytes have been discussed as myofibroblast progenitors in several organs including the lung.
Methods
Using tamoxifen-inducible PDGFRβ-tdTomato mice (PDGFRβ-CreERT2; R26tdTomato) lineage of lung pericytes was traced. To induce lung fibrosis, a single orotracheal dose of bleomycin was given. Lung tissue was investigated by immunofluorescence analyses, hydroxyproline collagen assay and RT-qPCR.
Results
Lineage tracing combined with immunofluorescence for nitric oxide-sensitive guanylyl cyclase (NO-GC) as marker for PDGFRβ-positive pericytes allows differentiating two types of αSMA-expressing myofibroblasts in murine pulmonary fibrosis: (1) interstitial myofibroblasts that localize in the alveolar wall, derive from PDGFRβ+ pericytes, express NO-GC and produce collagen 1. (2) intra-alveolar myofibroblasts which do not derive from pericytes (but express PDGFRβ de novo after injury), are negative for NO-GC, have a large multipolar shape and appear to spread over several alveoli within the injured areas. Moreover, NO-GC expression is reduced during fibrosis, i.e., after pericyte-to-myofibroblast transition.
Conclusion
In summary, αSMA/PDGFRβ-positive myofibroblasts should not be addressed as a homogeneous target cell type within pulmonary fibrosis.
The immune system plays a vital role in maintaining tissue integrity and organismal homeostasis. The sudden stress caused by myocardial infarction (MI) poses a significant challenge for the immune system: it must quickly substitute dead myocardial with fibrotic tissue while controlling overt inflammatory responses. In this review, we will discuss the central role of myocardial regulatory T-cells (Tregs) in orchestrating tissue repair processes and controlling local inflammation in the context of MI. We herein compile recent advances enabled by the use of transgenic mouse models with defined cardiac antigen specificity, explore whole-heart imaging techniques, outline clinical studies and summarize deep-phenotyping conducted by independent labs using single-cell transcriptomics and T-cell repertoire analysis. Furthermore, we point to multiple mechanisms and cell types targeted by Tregs in the infarcted heart, ranging from pro-fibrotic responses in mesenchymal cells to local immune modulation in myeloid and lymphoid lineages. We also discuss how both cardiac-specific and polyclonal Tregs participate in MI repair. In addition, we consider intriguing novel evidence on how the myocardial milieu takes control of potentially auto-aggressive local immune reactions by shaping myosin-specific T-cell development towards a regulatory phenotype. Finally, we examine the potential use of Treg manipulating drugs in the clinic after MI.