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Pharmacologic cardiac conditioning increases the intrinsic resistance against ischemia and reperfusion (I/R) injury. The cardiac conditioning response is mediated via complex signaling networks. These networks have been an intriguing research field for decades, largely advancing our knowledge on cardiac signaling beyond the conditioning response. The centerpieces of this system are the mitochondria, a dynamic organelle, almost acting as a cell within the cell. Mitochondria comprise a plethora of functions at the crossroads of cell death or survival. These include the maintenance of aerobic ATP production and redox signaling, closely entwined with mitochondrial calcium handling and mitochondrial permeability transition. Moreover, mitochondria host pathways of programmed cell death impact the inflammatory response and contain their own mechanisms of fusion and fission (division). These act as quality control mechanisms in cellular ageing, release of pro-apoptotic factors and mitophagy. Furthermore, recently identified mechanisms of mitochondrial regeneration can increase the capacity for oxidative phosphorylation, decrease oxidative stress and might help to beneficially impact myocardial remodeling, as well as invigorate the heart against subsequent ischemic insults. The current review highlights different pathways and unresolved questions surrounding mitochondria in myocardial I/R injury and pharmacological cardiac conditioning.
In large vessel occlusion stroke, recanalization to restore cerebral perfusion is essential but not necessarily sufficient for a favorable outcome. Paradoxically, in some patients, reperfusion carries the risk of increased tissue damage and cerebral hemorrhage. Experimental and clinical data suggest that endothelial cells, representing the interface for detrimental platelet and leukocyte responses, likely play a crucial role in the phenomenon referred to as ischemia/reperfusion (I/R)-injury, but the mechanisms are unknown. We aimed to determine the role of endoglin in cerebral I/R-injury; endoglin is a membrane-bound protein abundantly expressed by endothelial cells that has previously been shown to be involved in the maintenance of vascular homeostasis. We investigated the expression of membranous endoglin (using Western blotting and RT-PCR) and the generation of soluble endoglin (using an enzyme-linked immunosorbent assay of cell culture supernatants) after hypoxia and subsequent reoxygenation in human non-immortalized brain endothelial cells. To validate these in vitro data, we additionally examined endoglin expression in an intraluminal monofilament model of permanent and transient middle cerebral artery occlusion in mice. Subsequently, the effects of recombinant human soluble endoglin were assessed by label-free impedance-based measurement of endothelial monolayer integrity (using the xCELLigence DP system) and immunocytochemistry. Endoglin expression is highly inducible by hypoxia in human brain endothelial monolayers in vitro, and subsequent reoxygenation induced its shedding. These findings were corroborated in mice during MCAO; an upregulation of endoglin was displayed in the infarcted hemispheres under occlusion, whereas endoglin expression was significantly diminished after transient MCAO, which is indicative of shedding. Of note is the finding that soluble endoglin induced an inflammatory phenotype in endothelial monolayers. The treatment of HBMEC with endoglin resulted in a decrease in transendothelial resistance and the downregulation of VE-cadherin. Our data establish a novel mechanism in which hypoxia triggers the initial endothelial upregulation of endoglin and subsequent reoxygenation triggers its release as a vasoactive mediator that, when rinsed into adjacent vascular beds after recanalization, can contribute to cerebral reperfusion injury.
Myokardiale Ischämien und Myokardinfarkte (MI) stellen die wichtigsten Risikofaktoren für kardiale Morbidität und Mortalität in der perioperativen Phase dar. Der Begriff der Präkonditionierung beschreibt einen Prozess, bei dem ein vorangehender Trigger eine Veränderung des zellulären Phänotyps induziert, so dass die Toleranz dieser Zelle gegenüber ischämischen Phasen erhöht wird. Als Trigger können dabei kurzzeitige Ischämien (Ischämisch induzierte Präkonditionierung, IPC) oder pharmakologische Substanzen, z.B. volatile Anästhetika wie Sevofluran, Isofluran, Desfluran (Anästhetika induzierte Präkonditionierung, APC), dienen. Nach einem akuten MI ist die frühe Reperfusion des Myokards die wichtigste Maßnahme, um die Größe des entstehenden Infarktes zu limitieren. Die Reperfusion kann dabei eine weitere Schädigung des reperfundierten Gewebes verursachen, den sog. Ischämie/Reperfusionsschaden (I/R-Schaden). Es konnte nachgewiesen werden, dass eine kardioprotektive Wirkung, Abschwächung des I/R-Schadens und Reduzierung der Infarktgröße nicht nur durch den Mechanismus der IPC und erreicht werden kann, sondern auch durch repetitive kurze Ischämien, die erst in der Phase der Reperfusion im Anschluss an eine länger dauernde Ischämie des Myokards erfolgen (Ischämisch induzierte Postkonditionierung, IPost). Die Infarktgrößenreduktion war dabei mit derjenigen, die durch die IPC erreicht werden kann, vergleichbar. Auch volatile Anästhetika weisen eine bedeutende protektive Wirkung gegen I/R-Schäden auf, wenn sie in der frühen Phase der Reperfusion verabreicht werden (Anästhetika induzierte Postkonditionierung, APost). Für die IPC, die APC, die IPost und die APost konnte bereits in klinischen Studien nachgewiesen werden, dass sie kardioprotektiv wirken. IPC, IPost, APC, APost laufen über ähnliche Signaltransduktionswege ab. Kardiale β1- und β2 –adrenerge Rezeptoren (β1-AR und β2-AR) spielen eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung der kardioprotektiven Wirkung über die IPC und die APC. Die Funktion des β-AR Signaltransduktionsweges für die APost ist nicht bekannt. Die Verhinderung einer intrazellulären Ca2+-Akkumulation gilt als ein weiteres entscheidendes Ziel der volatilen Anästhetika in der Prävention der Folgen des I/R-Schadens. Die Anhäufung von Ca2+ sowie die gestörte Ca2+-Homöostase im Zytosol in der Phase der Ischämie und der Reperfusion ist eine wesentliche Ursache für kontraktile Dysfunktion und Apoptose der Kardiomyozyten nach Ischämie/Reperfusion. Die Ca2+/Calmodulin-dependent proteinkinase II (CaMKII), die Teil des β1-AR Signalweges ist, trägt zur Aufrechterhaltung der intrazellulären Ca2+-Homöostase bei. In einer Studie unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass die CaMKII auch eine Funktion in der APC hat. Ziel der experimentellen Arbeit war es, Erkenntnis über die bisher nicht untersuchte Funktion des β-AR Signaltransduktionsweges sowie über die Bedeutung der intrazellulären Komponenten dieses Signalweges, der Proteinkinase A (PKA) und der CaMKII, für die Desfluran-induzierte Postkonditionierung zu erlangen. White New Zealand Kaninchen wurden in einem etablierten in vivo-Modell einer Myokardischämie und anschließenden dreistündigen Reperfusion ausgesetzt. Die Rolle des β-AR Signalweges wurde durch spezifische pharmakologische Blockade der β1-AR und β2-AR sowie der PKA und der CaMKII charakterisiert. Die resultierende Herzinfarktgröße wurde in Abhängigkeit von der jeweiligen pharmakologischen Intervention und der Dauer der Blockade β1-AR ermittelt. In der molekularbiologischen Auswertung wurde mittels Western-Immunoblotting die Proteinexpression der CaMKII sowie die Proteinexpression und Phosphorylierung von Phospholamban (PLB) und der antiapoptotischen Proteinkinase B (PKB)/Akt bestimmt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Blockade β1-AR und β2-AR oder die Blockade der CaMKII, die Desfluran-induzierte Postkonditionierung aufhebt. Somit haben wie in der APC die kardialen β1-AR und β2–AR auch eine Funktion bei der APost. Auch durch langanhaltende Blockade der β1-AR über die gesamte Dauer der Reperfusion oder durch Blockade der PKA konnte eine kardioprotektive Wirkung erreicht werden. Die Optimierung der Ca2+-Homöostase durch Erhalt der Ca2+- regulierenden Proteine CaMKII und PLB könnte eine bedeutende Rolle für die durch volatile Anästhetika induzierte Kardioprotektion spielen. Desfluran könnte über β2-AR und PKB/Akt antiapoptotische Signale und eine Abschwächung des I/R-Schadens initiieren. Mit den Ergebnissen konnte nachgewiesen werden, dass Desfluran im Rahmen der APost kardioprotektiv wirkt. Im Gegensatz zur Präkonditionierung bietet die Postkonditionierung die Möglichkeit einer zeitnah zu einem myokardialen Ereignis stehenden klinischen Anwendung. Die APost könnte somit eine Therapieoption bei der Behandlung von Patienten mit myokardialen Ischämien und Infarktereignis sein.