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Reversible protein phosphorylation is a posttranslational modification of regulatory proteins involved in cardiac signaling pathways. Here, we focus on the role of protein phosphatase 2A (PP2A) for cardiac gene expression and stress response using a transgenic mouse model with cardiac myocyte-specific overexpression of the catalytic subunit of PP2A (PP2A-TG). Gene and protein expression were assessed under basal conditions by gene chip analysis and Western blotting. Some cardiac genes related to the cell metabolism and to protein phosphorylation such as kinases and phosphatases were altered in PP2A-TG compared to wild type mice (WT). As cardiac stressors, a lipopolysaccharide (LPS)-induced sepsis in vivo and a global cardiac ischemia in vitro (stop-flow isolated perfused heart model) were examined. Whereas the basal cardiac function was reduced in PP2A-TG as studied by echocardiography or as studied in the isolated work-performing heart, the acute LPS- or ischemia-induced cardiac dysfunction deteriorated less in PP2A-TG compared to WT. From the data, we conclude that increased PP2A activity may influence the acute stress tolerance of cardiac myocytes.
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.
Die vorliegende klinisch-experimentelle Arbeit beleuchtet den Zusammenhang zwischen biologischem Geschlecht, den Konzentrationen der Geschlechtshormone Testosteron, Estradiol sowie dem kardialen Protein NT-pro-BNP in vivo und der Kraftentwicklung stimulierter Herzmuskelzellen in vitro. Im Studienzeitraum wurden insgesamt 225 Patienten (35 weiblich, 190 männlich), die sich einer elektiven koronarchirurgischen Operation unter Einsatz der Herz-Lungen-Maschine unterzogen, in die Studie eingeschlossen. Im Rahmen der Operation wurden Herzmuskelproben vom linken und rechten Herzohr gewonnen. Aus diesen wurde experimentell der kontraktile Apparat isoliert. Diese Muskelfaserbündel wurden mittels Immersion in verschieden stark konzentrierten Kalziumbädern zur Kontraktion stimuliert und die resultierende Kraftentwicklung erfasst. Diese Daten wurden den im Patientenblut bestimmten Serumkonzentrationen von Estradiol, Testosteron und NT-pro-BNP gegenübergestellt. Es konnte, auch unter Berücksichtigung der Hormonkonzentrationen, weder eine Korrelation des Patientengeschlechts mit der Kraftentwicklung festgestellt werden, noch korrelierte die Konzentration von NT-pro-BNP mit der Kraftentwicklung im experimentellen Modell.
Hyperglycemia (HG) stimulates the production of reactive oxygen species in the heart through activation of NADPH oxidase 2 (NOX2). This production is independent of glucose metabolism but requires sodium/glucose cotransporters (SGLT). Seven SGLT isoforms (SGLT1 to 6 and sodium-myoinositol cotransporter-1, SMIT1) are known, although their expression and function in the heart remain elusive. We investigated these 7 isoforms and found that only SGLT1 and SMIT1 were expressed in mouse, rat and human hearts. In cardiomyocytes, galactose (transported through SGLT1) did not activate NOX2. Accordingly, SGLT1 deficiency did not prevent HG-induced NOX2 activation, ruling it out in the cellular response to HG. In contrast, myo-inositol (transported through SMIT1) reproduced the toxic effects of HG. SMIT1 overexpression exacerbated glucotoxicity and sensitized cardiomyocytes to HG, whereas its deletion prevented HG-induced NOX2 activation. In conclusion, our results show that heart SMIT1 senses HG and triggers NOX2 activation. This could participate in the redox signaling in hyperglycemic heart and contribute to the pathophysiology of diabetic cardiomyopathy.
TRPC4α and TRPC4β Similarly Affect Neonatal Cardiomyocyte Survival during Chronic GPCR Stimulation
(2016)
The Transient Receptor Potential Channel Subunit 4 (TRPC4) has been considered as a crucial Ca\(^{2+}\) component in cardiomyocytes promoting structural and functional remodeling in the course of pathological cardiac hypertrophy. TRPC4 assembles as homo or hetero-tetramer in the plasma membrane, allowing a non-selective Na\(^{+}\) and Ca\(^{2+}\) influx. Gαq protein-coupled receptor (GPCR) stimulation is known to increase TRPC4 channel activity and a TRPC4-mediated Ca\(^{2+}\) influx which has been regarded as ideal Ca\(^{2+}\) source for calcineurin and subsequent nuclear factor of activated T-cells (NFAT) activation. Functional properties of TRPC4 are also based on the expression of the TRPC4 splice variants TRPC4α and TRPC4β. Aim of the present study was to analyze cytosolic Ca\(^{2+}\) signals, signaling, hypertrophy and vitality of cardiomyocytes in dependence on the expression level of either TRPC4α or TRPC4β. The analysis of Ca\(^{2+}\) transients in neonatal rat cardiomyocytes (NRCs) showed that TRPC4α and TRPC4β affected Ca\(^{2+}\) cycling in beating cardiomyocytes with both splice variants inducing an elevation of the Ca\(^{2+}\) transient amplitude at baseline and TRPC4β increasing the Ca\(^{2+}\) peak during angiotensin II (Ang II) stimulation. NRCs infected with TRPC4β (Ad-C4β) also responded with a sustained Ca\(^{2+}\) influx when treated with Ang II under non-pacing conditions. Consistent with the Ca\(^{2+}\) data, NRCs infected with TRPC4α (Ad-C4α) showed an elevated calcineurin/NFAT activity and a baseline hypertrophic phenotype but did not further develop hypertrophy during chronic Ang II/phenylephrine stimulation. Down-regulation of endogenous TRPC4α reversed these effects, resulting in less hypertrophy of NRCs at baseline but a markedly increased hypertrophic enlargement after chronic agonist stimulation. Ad-C4β NRCs did not exhibit baseline calcineurin/NFAT activity or hypertrophy but responded with an increased calcineurin/NFAT activity after GPCR stimulation. However, this effect was not translated into an increased propensity towards hypertrophy but rather less hypertrophy during GPCR stimulation. Further analyses revealed that, although hypertrophy was preserved in Ad-C4α NRCs and even attenuated in Ad-C4β NRCs, cardiomyocytes had an increased apoptosis rate and thus were less viable after chronic GPCR stimulation. These findings suggest that TRPC4α and TRPC4β differentially affect Ca\(^{2+}\) signals, calcineurin/NFAT signaling and hypertrophy but similarly impair cardiomyocyte viability during GPCR stimulation.
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.
SPRED2 ist ein Inhibitor des Ras/ERK-MAPK-Signalwegs. Um die Folgen einer SPRED2-Defizienz zu erforschen, wurden im Rahmen vorheriger von Ullrich et al. durchgeführter Untersuchungen mittels Gene-Trap-Methode bereits mannigfaltige Auffälligkeiten im Phänotyp der SPRED2-Mäuse festgestellt. So zeigten die Tiere einen Hypochondroplasie-ähnlichen Zwergenwuchs, Verhaltensauffälligkeiten, einen krankhaft gesteigerten Wasserkonsum und nicht zuletzt eine deutlich reduzierte Lebenserwartung im Vergleich mit den WT-Tieren. Des Weiteren fielen erhöhte Aldosteronspiegel auf, die bei näheren Untersuchungen nicht einer erhöhten Aktivität des RAAS geschuldet zu sein schienen. Vielmehr zeigte sich eine deutlich erhöhte Aldosteron-Synthase-Expression in der Nebennierenrinde. Erste Hinweise darauf, dass die SPRED2-Defizienz auch Auswirkungen auf den kardiologischen Phänotyp haben könnte, ergaben sich bereits bei initialen Untersuchungen von Ullrich et al. So konnte bei den SPRED2-KO-Tieren neben hämodynamischer Auffälligkeiten eine gesteigerte Herz-Körpergewicht-Ratio festgestellt werden.
Die im Rahmen dieses Folgeprojekts durchgeführten Untersuchungen sollten die Frage klären, ob die Defizienz des SPRED2-Gens Auswirkungen auf die Herzleistung hat und hierüber die verkürzte Lebenserwartung der KO-Tiere verschulden könnte. Hierfür wurden zunächst Untersuchungen der elektrischen kardialen Aktivität mittels EKG und Elektrophysiologischer Untersuchung durchgeführt. Die Ermittlung von Herzrhythmusstörung und die Quantifizierung derselben spielte hierbei eine besondere Rolle. Des Weiteren sollte mit der Durchführung von PSR-Färbungen zur Bestimmung des kardialen Kollagengehaltes histologischen Fragestellungen Rechnung getragen werden.
Aufgrund des bereits aus den vorherigen Studien bekannten Hyperaldosteronismus der KO-Tiere stellte sich darüber hinaus die Frage, ob die im Rahmen der Studie feststellbaren kardiologischen Auffälligkeiten als Konsequenz der gesteigerten Aldosteronwerte, oder aber als direkte Folge des Genotyps gewertet werden müssen. Aus diesem Grund wurden alle oben genannten Untersuchungen mit Tieren, welche einer Behandlung mit dem Aldosteronantagonisten Eplerenon zugeführt worden waren, wiederholt.
Bei der Auswertung der basalen Ruhe- und Stress-EKGs zeigten sich einige Parameter bei den KO-Tieren pathologisch verändert. So war das QRS-Intervall, als Korrelat zur intraventrikulären Überleitungszeit, bei den KO-Mäusen verlängert, im Stress-EKG waren darüber hinaus sowohl die Dauer der P-Welle als auch des PQ-Intervalls erhöht. Durch die Behandlung mit Aldosteron waren diese Unterschiede zwischen WT- und KO-Gruppe teilweise nicht mehr feststellbar. Das die atrioventrikuläre Überleitungszeit abbildende PQ-Intervall war sowohl im Vergleich mit dem behandelten WT, als auch mit dem unbehandelten WT nicht mehr signifikant erhöht. Auch die Länge des QRS-Komplexes näherte sich unter Eplerenon-Behandlung dem der unbehandelten WT-Tiere an und sank bei der Stress-EKG-Auswertung sogar unterhalb des Signifkanzniveaus.
Bei der EKG-Analyse in Bezug auf Arrhythmien ergab sich bei Gegenüberstellung der basalen WT- und KO-Gruppe eine deutlich gesteigerte Vulnerabilität für Herzrhythmusstörungen bei den KO-Tieren. Durch die Behandlung mit Eplerenon konnte hierbei ein deutlicher Erfolg erzielt werden mit signifikanter Reduktion der Arrhythmieereignisse.
Die elektrophysiologische Untersuchung ergab neben unauffälligen Parametern der Funktion des Sinusknotens und der AV-Überleitung ebenfalls Hinweise für eine gesteigerte Empfindlichkeit für Arrhythmien. Die durch EPU induzierten Arrhythmien zeigten sich durch Eplerenon-Behandlung gleichermaßen rückgängig.
Mittels Kollagenfärbung konnte der initiale Verdacht, dass die SPRED2-KO-Tiere zu einer vermehrten kardialen Fibrosierung neigen, bestätigt werden. Dabei zeigte sich durch die Behandlung mit Eplerenon eine deutliche Beeinflussung und Reduktion des kardialen Kollagengehaltes.
Insgesamt lässt sich schlussfolgern, dass die mannigfaltigen phänotypischen Effekte, die die SPRED2-Defizienz bedingt, nur teilweise dem Hyperaldosteronismus der Tiere geschuldet sind und durch therapeutische Einflussnahme auf diesen auch nur partiell kompensiert werden können.
The volatile anesthetic desflurane (DES) effectively reduces cardiac infarct size following experimental ischemia/reperfusion injury in the mouse heart. We hypothesized that endogenous estrogens play a role as mediators of desflurane-induced preconditioning against myocardial infarction. In this study, we tested the hypothesis that desflurane effects local estrogen synthesis by modulating enzyme aromatase expression and activity in the mouse heart. Aromatase metabolizes testosterone to 17b- estradiol (E2) and thereby significantly contributes to local estrogen synthesis. We tested aromatase effects in acute myocardial infarction model in male mice. The animals were randomized and subjected to four groups which were pre-treated with the selective aromatase inhibitor anastrozole (A group) and DES alone (DES group) or in combination (A+DES group) for 15 minutes prior to surgical intervention whereas the control group received 0.9% NaCl (CON group). All animals were subjected to 45 minutes ischemia following 180 minutes reperfusion. Anastrozole blocked DES induced preconditioning and increased infarct size compared to DES alone (37.94615.5% vs. 17.163.62%) without affecting area at risk and systemic hemodynamic parameters following ischemia/reperfusion. Protein localization studies revealed that aromatase was abundant in the murine cardiovascular system with the highest expression levels in endothelial and smooth muscle cells. Desflurane application at pharmacological concentrations efficiently upregulated aromatase expression in vivo and in vitro. We conclude that desflurane efficiently regulates aromatase expression and activity which might lead to increased local estrogen synthesis and thus preserve cellular integrity and reduce cardiac damage in an acute myocardial infarction model.
PURPOSE:
To evaluate the heart and the Tc-99m-sestamibi biodistribution after statin pretreatment in a rat model of abdominal sepsis.
METHODS:
Twenty-four Wistar rats were randomly distributed into four groups (n=6 per group): 1) sepsis with simvastatin treatment, 2) sepsis with vehicle, 3) sham control with simvastatin and 4) sham control with vehicle. 24 hours after cecal ligation and puncture rats received 1.0MBq of Tc-99m-sestamibi i.v. 30min after, animals were euthanized for ex-vivo tissue counting and myocardium histological analysis.
RESULTS:
Myocardial histologic alterations were not detected 24 hours post-sepsis. There was significantly increased cardiac Tc-99m-sestamibi activity in the sepsis group with simvastatin treatment (1.9\(\pm\)0.3%ID/g, p<0.001) in comparison to the sepsis group+vehicle (1.0\(\pm\)0.2% ID/g), control sham group+ simvastatin (1.2\(\pm\)0.3% ID/g) and control sham group (1.3\(\pm\)0.2% ID/g). Significant Tc-99m-sestamibi activity in liver, kidney and lungs was also detected in the sepsis group treated with simvastatinin comparison to the other groups.
CONCLUSIONS:
Statin treatment altered the biodistribution of Tc-99m-sestamibi with increased cardiac and solid organ activity in rats with abdominal sepsis, while no impact on controls. Increased myocardial tracer activity may be a result of a possible protection effect due to increased tissue perfusion mediated by statins.