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Die Dynamik der Kernspindephasierung in lebenden Systemen enhält relevante Informationen über biologisch wichtige Parameter, wie Sauerstoffversorgung, Mikrozirkulation, Diffusion etc.. Ursächlich für die Dephasierung sind Interaktionen des Spins mit fluktuierenden Magnetfeldern. Notwendig sind also Modelle, welche diese Interaktionen mit den biologisch relevanten Parametern in Beziehung setzen. Problematisch ist, daß fast alle analytische Ansätze nur in extremen Dynamikbereichen der Störfeldfluktuationen (motional narrowing - , static dephasing limit) gültig sind. In dieser Arbeit zeigen wir einen Ansatz, mit dem man die Dynamik der Störfeldfluktuationen erheblich vereinfachen und trotzdem noch deren wesentliche Eigenschaften beibehalten kann. Dieser Ansatz ist nicht auf einen speziellen Dynamikbereich festgelegt. Angewendet wird dieses Näherungsverfahren zur Beschreibung der Spin Dephasierung im Herzmuskel. Die Relaxationszeiten erhält man als Funktion der Kapillardichte und Blutoxygenierung. Vergleiche mit numerisch errechneten Daten anderer, eigenen Messungen am menschlichen Herzen und experimentellen Befunden in der Literatur, bestätigen die theoretischen Vorhersagen.
In der vorliegenden Arbeit wurde überprüft, ob sich sham-operierte Versuchsratten und gesunde Vergleichsratten in via Cine-Herz-MRT zu erfassenden Parametern signifkant unterscheiden. Hierzu wurden an einem Bruker 7 Tesla-Magnetresonanztomografen drei verschiedene Tiergruppen à 6 Tiere untersucht. Der erste Vergleich fand statt zwischen der gesunden Vergleichsgruppe und einer ähnlich schweren Shamtiergruppe, die sich in der 8. postoperativen Woche befand. Nachdem hier keinerlei signifikante Unterschiede zwischen den beiden Gruppen festzustellen waren, wurde der Vergleich ausgeweitet: Die Shamgruppe wurde zu einem frühen postoperativen Zeitpunkt (7-14 Tage postoperativ) ein zweites Mal mit der gesunden Gruppe verglichen.
Glukose ist einer der Hauptenergielieferanten der Säugetierzellen. Aus diesem Grund wird die Glukoseaufnahme durch erleichterte Diffusion durch die GLUT (SLC2) Familie, sowie durch die Familie der sekundär aktiven Transporter SGLT (SLC5A) gesichert. In dieser Arbeit wurde ein polyklonaler Antikörper gegen SGLT1 aus Kaninchen hergestellt. Dieser Antikörper wurde für die Innunhistologie sowie für Western blots eingesetzt. Man sah eine Anfärbung von Bürstensaummembranen an Dünndarm- und Nierentubulusepithelzellen, aber in diesen Geweben nicht an Mikrogefäßen. Darüberhinaus konnten wir SGLT1 an der basolateralen Membran von Speicheldrüsenazini sehen, auch hier konnten wir SGLT1 in den Kapillaren nicht sehen. Überraschenderweise konnte SGLT1 in der Blut-Hirn-Schranke nachgewiesen werden. Auch konnte man die Lokalisation von SGLT1 in den Kapillaren des Herzens und des Skelettmuskels zeigen. Die physiologische und pathophysiologische Bedeutung dieser Lokalisationen liegt noch im Unklaren.
Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung und Umsetzung von Verfahren, mit denen die Durchblutung des menschlichen Herzmuskels quantitativ bestimmt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dazu zwei Ansätze verfolgt, das kontrastmittelfreie Spin-Labeling Verfahren und die kontrastmittelgestützte First-Pass Messung
Die Entwicklung eines vielzelligen Organismus aus einer befruchteten Eizelle ist nur durch komplexe zelluläre Regulationsmechanismen möglich. Dabei spielt der Notch-Signaltransduktionsweg eine zentrale Rolle während der Determination von Zellschicksalen und der Zelldifferenzierung. Die primären Zielgene der Notch-Signalkaskaskade bei Vertebraten sind die Hes- sowie die kürzlich identifizierten Hey-Gene. Die Hey-(hairy and E(spl) related with YRPW motif)-Gene kodieren drei hairy/E(spl)/Hes-verwandte basische Helix-Loop-Helix-Transkriptionsfaktoren, die durch eine Orange-Domäne und einen charakteristischen Carboxyterminus gekennzeichnet sind. Während der Embryonalentwicklung werden die Hey-Gene dynamisch in zahlreichen Geweben exprimiert. Ziel dieser Arbeit war es, neue Hey-Interaktionsproteine aus embryonalen Genbanken zu isolieren, die Bindung an weitere bHLH-Transkriptionsfaktoren zu überprüfen und ihre DNA-Bindung zu analysieren. Um die physiologische Hey2-Funktion zu ergründen, wurden Hey2-Knockoutmäuse untersucht. In einem ersten Versuch wurde eine neue Screeningmethode erprobt, bei der Proteinexpressionsfilter mit markierten Hey1-Peptiden nach interagierenden Proteinen durchsucht wurden. Hierbei sind 53 Proteine isoliert worden, jedoch konnte nach eingehenderen Untersuchungen kein relevanter Bindungsspartner beschrieben werden. Für weitere Analysen unter mehr physiologischen Bedingungen wurde das Yeast Two-Hybrid Verfahren für Hey1 und Hey2 etabliert. Das Screening von murinen embryonalen cDNA-Genbanken mit verschiedenen Hey1-Fragmenten führte zur Isolation von mehreren hundert Klonen. Die interessantesten Kandidaten wurden weiteren biochemischen Tests unterzogen, wobei jedoch keine neuen Interaktionspartner verifiziert werden konnten. Mit gezielten direkten Yeast Two-Hybrid und GST-Pulldown Assays für vermutete Kandidaten konnte jedoch die Interaktion von Hey1 bzw. Hey2 mit den bHLH-Proteinen E2-2, E2-5, MyoD und c-hairy1 nachgewiesen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass Hey1 und Hey2 Homodimere und Hey1/Hey2-Heterodimere bilden. Die stärkste Interaktion wurde mit dem in der Somitogenese rhythmisch exprimierten c-hairy1-Protein beobachtet. Da Hey2 und c-hairy1 im präsomitischen Mesoderm und in den Somiten coexprimiert werden und starke Heterodimere ausbilden, erscheint es wahrscheinlich, dass beide Proteine gemeinsam die Transkription nachgeschalteter Gene steuern. Diese Interaktionsstudien zeigten außerdem erstmals, dass die Orange-Domäne entscheidend an der Bildung der Dimere beteiligt ist, da durch sie die Dimerisierung in vivo deutlich verstärkt wurde. Schließlich konnte gezeigt werden, dass Hey1 und Hey2, im Gegensatz zu den übrigen hairy-Proteinen, nicht mit dem Corepressor Groucho/TLE1 interagieren. Electrophoretic Mobility Shift Assays ergaben, dass die Hey1- und Hey2-Proteine an eine E(spl)-spezifische E-Box DNA-Sequenz (CACGTG) binden. Auch die interagierenden bHLH-Proteine c-hairy1, E2-2 und E2-5 binden als Homodimere an diese DNA-Sequenz. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Hey2-Genfunktion an Hey2-Knockoutmäusen untersucht. Etwa 80 % der homozygoten Mäuse starben wenige Tage nach der Geburt. Sie zeigten eine massive Hypertrophie der Herzventrikel, die wahrscheinlich die Todesursache darstellt. Die lacZ-Expression der untersuchten Organe entsprach der Hey2-Expression im Wildtyp. Es fiel dabei auf, dass es postnatal zu einer Herunterregulation der Hey2-Transkription kommt. Mit Elektrokardiogrammen wurden keine Reizleitungsstörungen bei neugeborenen Hey2-Knockoutmäusen festgestellt. Interessanterweise konnte mit Arteriographien ausgeschlossen werden, dass die Ventrikelhypertophie Folge einer Aortenstenose wie bei der gridlock (zf-Hey2)-Mutante im Zebrafisch ist. Vielmehr führt eine homozygote Hey2-Deletion zu einer Kardiomyopathie in Kombination mit verschiedenene Herzfehlern. Untersuchungen der Hey1- und HeyL-Expression in Hey2-Knockoutembryonen mittels RNA in situ Hybridisierungen zeigten keine Veränderungen im Vergleich mit dem Wildtyp. Daraus kann gefolgert werden, dass Hey1 und HeyL zumindest dort, wo sie nicht mit Hey2 coexprimiert sind, die Hey2-Funktionen nicht kompensieren können. Weitere Erkenntnisse über die Funktionen der Hey-Gene werden sicherlich die Studien an den Doppelknockoutmäusen ergeben. Die bisherigen Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Hey-Gene essentiell für die murine Herzentwicklung sind. Weitere Untersuchungen müssen nun zeigen, welche Rolle diese Gene bei der Entstehung von kongenitalen Herzfehlern des Menschen spielen.
MicroRNAs sind kleine, nicht kodierende RNA-Moleküle, die posttranskriptionell die Genexpression regulieren. Sie binden hierfür spezifisch an 3’-UTRs von messenger-RNAs und führen entweder direkt zu deren Abbau oder inhibieren deren Translation. Über die Mechanismen, die die Expression von microRNAs regulieren, ist jedoch noch wenig bekannt. Die Tatsache, dass sie als lange Vorläufermoleküle (pri-microRNAs) durch die RNA-Polymerase-II transkribiert werden, legt die Existenz eines Promotorbereiches nahe, der dem proteinkodierender Gene ähnelt. Mit Hilfe von microRNA-Arrays konnten wir im linksventrikulären Myokard mehrere bei Herzinsuffizienz deutlich verändert exprimierte microRNAs identifizieren. Die microRNA-21 ist dabei bereits im Frühstadium der Herzinsuffizienz verstärkt exprimiert (Northern Blot). Auch in primären, kardialen Zellen (Fibroblasten, Kardiomyozyten) wird die microRNA-21 nach Induktion einer Hypertrophie verstärkt exprimiert. Weiterführendes Ziel dieser Arbeit war es nun, diejenigen Mechanismen aufzuklären, die der starken Induktion der microRNA-21 im erkrankten Myokard zu Grunde liegen. Durch bioinformatische Analyse des zugehörigen Promotorbereiches (Trans-Spezies-Konservierung) und Klonierung danach ausgerichteter Fragmente in Luciferase-basierte Reporter-Plasmide konnte ein 118 Basen langer Bereich identifiziert werden, der maßgeblich die Expression der microRNA-21 im Herzen bedingt. Durch Deaktivierung einzelner cis-Elemente konnte die kardiale Expression auf zwei essentielle Transkriptionsfaktorbindungsstellen zurückgeführt werden. Es handelt sich dabei um Erkennungssequenzen für die im Herz bedeutsamen Transkriptionsfaktoren CREB und SRF. Sie liegen in enger räumlicher Nachbarschaft ungefähr 1150 bp vor der Transkriptionsstartstelle. Die Suppression der Expression dieser beiden Transkriptionsfaktoren mittels geeigneter siRNAs führte jeweils zu einer signifikanten Aktivitätsminderung des microRNA-21-Promotors und konnte somit die vorangehenden Ergebnisse validieren. Durch Generierung einer transgenen Tierlinie, die lacZ unter der Kontrolle des microRNA-21-Promotors exprimiert, werden in naher Zukunft nähere Aufschlüsse über die gewebsspezifische Verteilung der microRNA-21-Expresssion in vivo möglich sein. Zusammenfassend beschreiben wir hier erstmals den Mechanismus der transkriptionellen Regulation der microRNA-21 im Herzen. Dieser Mechanismus bedingt wahrscheinlich die starke Induktion dieser microRNA bei kardialer Hypertrophie und Herzinsuffizienz.
SPRED 2 wirkt inhibitorisch auf den Ras/ERK-MAPK-Signalweg. Im Knockout Mausmodell
zeigen sich einige schwerwiegende phänotypische Eigenschaften, unter anderem zeigen sich
ein genereller Minderwuchs, veränderte hormonelle Regelkreise, neurologische Auffälligkeiten,
eine deutlich verringerte Lebenserwartung, sowie kardiale Veränderungen. Besonders
schwerwiegende SPRED 2 KO typische Ausprägungen im Herzen sind hierbei eine myokardiale
Fibrosierung, eine myokardiale Hypertrophie und Herzrhythmusstörungen.
In dieser Arbeit wurden insbesondere kardiale Veränderungen auf Zell- und Proteinebene
untersucht. Zur Proteinanalyse der Kardiomyozyten wurden Western Blots und eine Schnittbildgebung
angefertigt. Für eine funktionelle Untersuchung wurden isolierte vitale Kardiomyozyten
mittels Fluoreszenzfarbstoffen untersucht und unter elektrischer Stimulation beobachtet.
Desweiteren wurden isolierte Mitochondrien auf ihren Stoffwechsel und eventuelle
Defekte hin analysiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass junge SPRED2 KO Mäuse keine
wesentlichen hämodynamischen Einschränkungen aufweisen und eine gute Kompensationsfähigkeit
gegenüber einer Nachlaststeigerung aufweisen. Auch gezeigt werden konnte, dass
Veränderungen im Rahmen der Zellkontraktion beim Kalziumhaushalt und Membranpotential
existieren und im Zusammenhang mit einer verminderten Expression von SERCA und CaV1.2
stehen. Bei der Untersuchung von Mitochondrien konnten keine wesentlichen Defizite der
mitochondrialen Funktion der SPRED 2 KO Mäuse gefunden werden. In diesem Zusammenhang
ist die bekannte Störung der Autophagie am ehesten Ursache für eine gesteigerte Fibrosierung,
sowie der gesteigerten Apoptose der Kardiomyozyten. In Folge dessen könnten die
oben beschriebenen Veränderungen des Kalziumhaushaltes der Kardiomyozyten stehen und
letztendlich über maligne Herzrhythmusstörungen zum vorzeitigen Versterben führen.
Der Stoffwechsel der energiereichen Metabolite und die linksventrikuläre Funktion sind bei Herzen nach einem Myokardinfarkt vermindert. Um die Rolle der Substratzufuhr zu evaluieren, untersuchten wir die Glucoseaufnahme von Kontrollherzen und von Herzen nach Myokardinfarkt. Ratten wurden einer Unterbindung des RIVA (MI) oder einer Scheinoperation (SH) unterzogen. Nach 2 Monaten wurden die Herzen entnommen und nach der Methode nach Langendorff (11 mM Glucose) perfundiert. Nach 10 Minuten wurde das Substrat gewechselt; statt 11 mM Glucose waren nun 5 mM Deoxyglucose (DG) und 5 mM Pyruvat zugesetzt. 31P NMR Spektren wurden über 30 Minuten aufgezeichnet. DG wird im Myokard phosphoryliert (P-DG), aber nicht weiter verstoffwechselt. Deshalb spiegelt die P-DG Akkumulation die Aufnahme wieder. In einem zweiten Versuchsteil wurde die Glucoseaufnahme durch Insulin (2mU/ml) stimuliert. Bei den Infarktherzen sind die linksventrikuläre Druckamplitude (LVDA;-52%) und das Verhältnis von PCr/ATP (-23%) vermindert. Die Aufnahme von DG war weder ohne (mM/min/g: 0,36 +/- 0,04 für SH versus 0,40 +/- 0,04 für MI) noch mit Insulinstimulation (mM/min/g: 0,61 +/- 0,08 für SH versus 0,69 +/- 0,10 für MI) bei MI im Vergleich zu SH abgeschwächt. 2 Monate nach Myokardinfarkt ist die zelluläre Gucoseaufnahme im überlebenden Myokard sowohl unter Kontrollbedingungen, wie auch unter Insulinstimulation nicht verändert. Deshalb ist es sehr wahrscheinlich, dass die zelluläre Glucoseaufnahme 8 Wochen nach Myokardinfarkt nicht limitierend ist und scheidet somit als Ursache für die Veränderungen von Funktion und Energiestoffwechsel aus.
Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene Parameter der linksventrikulären Wandbewegung aus MR-tagging-Aufnahmen quantitativ zu analysieren. Die Auswertemethode sollte angewendet werden, um den physiologischen Kontraktionsablauf zu charakterisieren und pathophysiologische Veränderungen zu erfassen. Die tagging-Untersuchung wurde in einer basisnahen, mittventrikulären und einer apikalen Schicht des linken Ventrikels durchgeführt. Für die automatische Quantifizierung von Rotation, Kontraktion und Umfangsverkürzung wurde eine geeignete Software erstellt. Die Methode wurde bei 8 gesunden Probanden, 13 Patienten mit Aortenstenose vor und 1 Jahr nach Klappenersatz und 10 Patienten mit Myokardinfarkt vor und nach Revaskularisation angewendet. Die entwickelte Software gestattet die Quantifizierung der linksventrikulären Wandfunktion über die Bestimmung von Rotation, Kontraktion und Umfangsverkürzung. Bei den Probanden zeigte sich eine Wringbewegung mit gegenläufiger Rotation der Herzbasis zur Herzspitze. Vor Klappenersatz zeigten die Patienten mit Aortenstenose eine signifikant verstärkte apikale Rotation und Torsion. 1 Jahr postoperativ hatte sich die Torsion normalisiert. Bei den Patienten mit Myokardinfarkt zeigte sich nach Revaskularisierung eine Zunahme der Umfangsverkürzung im Infarktareal. Die Quantifizierung der linksventrikulären Wandbewegung mit MR-tagging-Aufnahmen ermöglicht die Charakterisierung und Verlaufsbeobachtungen von Veränderungen der linksventrikulären Wandfunktion bei verschiedenen Herzerkrankungen.
Die bedrohlich steigende Anzahl an Diabetikern sowie die sich daraus ergebenden Folgeerkrankungen werden weltweit die Gesundheitssysteme immens belasten. Der Einfluss des Diabetes mellitus auf das kardiovaskuläre System beeinflusst die Prognose der Patienten und nimmt somit zentralen Stellenwert in der Therapie ein. Die Pathogenese der diabetischen Kardiomyopathie, also des direkten Einflusses des Diabetes mellitus auf den Herzmuskel, ist aktuell noch unzureichend geklärt und bedarf somit weiterer Forschung. Zu diesem Zwecke wurde in dieser Arbeit die calcium-induzierte Kraftentwicklung im skinned fiber Modell in links- und rechtsatriale Fasern zwischen Diabetikern und nicht-Diabetikern verglichen.
Insgesamt wurden 149 Patienten (106 Diabetiker, 43 nicht Diabetiker), welche allesamt für eine elektive Bypassversorgung vorgesehen waren, in die Studie eingeschlossen. Perioperativ wurden Teile des rechten und linken Vorhofohres entfernt, anschließend chemisch sowie mechanisch gehäutet und Calcium induzierte Kontraktionskraftwerte erhoben. Diese so gewonnenen experimentellen Daten konnten abschließend mit klinisch erhobenen Daten korreliert werden.
Zusammenfassend konnte ein signifikanter Unterschied bezüglich der calcium-induzierten Kraftwerte im linken Atrium über alle Calciumaktivierungsschritte zwischen Diabetikern und der Kontrollgruppe beobachtet werden (Diabetiker 0.50 ± 0.19 mN vs 0.68 ± 0.23 mN nicht-diabetiker, P = 0.002). Ebenso zeigte sich ein signifikante Kraftunterschied im rechten Vorhof. Hierbei zeigte sich der Effekt in supraphysiologischen Calciumkonzentrationen (pCa 4,52, 4,75) als nicht signifikant.
Erstmals konnten in der vorliegenden Dissertation an einem großen Patientenkollektiv experimentell signifikant reduzierte Kraftwerte bei Diabetikern im Vergleich zur Kontrollgruppe nachgewiesen werden.