Hintergrund: Im Zuge einer akuten Herzinsuffizienz kommt es auf Grund der Ischämie und Reperfusionsschäden (IR) zur Verschlechterung der Herzfunktion. Studien bezüglich einer 15- und 20 minütigen Ischämie haben für den Phosphodiesterase3-Hemmer Enoximon bereits einen positiven Einfluss auf die Myokard- und Mitochondirenfunktion aufzeigen können. Ob diese Ergebnisse auch unter längerer Ischämiezeit reproduzierbar sind, war Gegenstand dieser Arbeit. Material und Methoden: 4 Gruppen wurden bezüglich ihrer Ergebnisse im Zuge einer retrograden Perfusion von Rattenherzen innerhalb der Langendorff-Apparatur verglichen. Allen Gruppen war eine 30-minütige Perfusion gemein. Als Kontrollgruppe diente IR0/30. Die Gruppen unterschieden hinsichtlich der Verwendung einer 40-minütigen Ischämiezeit vor Reperfusion (IR40/30) sowie dem Gebrauch von Enoximon mit (Enox-IR40/30) und ohne Ischämie (Enox-IR0/30). Im Rahmen des Langendorff-Versuchs wurde der linksventrikuläre Druck (LVPsys), der Koronarfluss, die Kontraktilität (LVdp/dtmax) sowie Herzenzyme bestimmt. Zur Bestimmung der Mitochondrienfunktion wurden die IFM und SSM isoliert und hinsichtlich der Atmungskettenfunktion (RCF) sowie der mPTP-Öffnung untersucht. Ergebnisse: Unter IR kam es zu einem Abfall des LVPsys (p<0,01), LVdp/dtmax (p<0,004) sowie des Koronarflusses (p=0,01). Es war eine verstärkte Schwellung der Mitochondrien im Rahmen der mPTP-Öffung für IFM (p=0,01) und SSM (p<0,0001) erkennbar. Die Konzentrationen der Herzmarker GOT und hFABP stiegen an. Für Troponin T, CK und CK-MB fand sich kein signifikanter Unterschied zur Kontrollgruppe.Die Komplexaktivität der IFM war in den Komplexgruppen II-V (p<0,0001), II-IV (p<0,0001), III-V (p=0,004) und IV (p<0,0001) verringert. In SSM zeigte sich ein Aktivitätsabfall im Komplex IV (p=0,05). Enoximon hatte unter Ischämie keinen Einfluss auf die hämodynamischen Parameter. Gegen Ende der Messung kam es zu einem geringen Anstieg der mPTP-Öffnung der SSM (p=0,05). Die Konzentration an hFABP war verringert. Die Komplexaktivität der IFM stieg in den Komplexgruppen I-V (p=0,01), II-V (p=0,04), II-IV (p=0,02) und IV (p=0,02) gegenüber IR40/30 an. In nicht-ischämischen Myokard (Enox-IR0/30) zeigte Enoximon einen Anstieg des LVdp/dtmax (p<0,02) und verringerte die Konzentration an TroponinT (p<0,02). Während die Komplexaktivität der IFM in I-V anstieg (p=0,01), zeigte diese sich in II-V (p=0,04) und III-V (p=0,009) abgeschwächt. Für SSM war am Ende der Messung ein geringer Anstieg der mPTP- Öffnung erkennbar (p<0,04). Diskussion: IR-Schäden verschlechtern die Herzleistung, führen zu einer Reduktion der Mitochondrienfunktion sowie gesteigerter Vulnerabilität der Mitochondrien im Zuge der mPTP-Öffnung. Während Studien mit kürzer Ischämiezeit für Enoximon eine Verbesserung des LVPsys, LVdp/dtmax und Koronarflusses aufzeigen konnten, waren unter 40minütiger Ischämie kein Einfluss von Enoximon mehr erkennbar. Es ließ sich unter Ischämie für Enoximon jedoch ein positiver Einfluss auf die Atmungskettenkomplexe der IFM nachweisen. Gleichzeitig war in nativem Myokard ein Anstieg des LVdp/dtmax unter Enoximon erkennbar. In Zuge von IR-Schäden scheint somit die Wirksamkeit von Enoximon stark von einem frühen Applikationszeitpunkt abhängig zu sein.

In der vorliegenden Arbeit gelang es die Bedeutung sowie die Aktivierung und Mobilisierung der koronaren Gefäßwand-residenten Stammzellen bei der Angiogenese des Herzgewebes mittels Cardiac Angiogenesis Assay präzise zu charakterisieren und beeinflussende Faktoren zu identifizieren.

In the heart the β\(_1\)-adrenergic receptor (AR) and the β\(_2\)-AR, two prototypical G protein-coupled receptors (GPCRs), are both activated by the same hormones, namely adrenaline and noradrenaline. Both receptors couple to stimulatory G\(_s\) proteins, mediate an increase in cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and influence the contractility and frequency of the heart upon stimulation. However, activation of the β\(_1\)-AR, not the β\(_2\)-AR, lead to other additional effects, such as changes in gene transcription resulting in cardiac hypertrophy, leading to speculations on how distinct effects can arise from receptors coupled to the same downstream signaling pathway. In this thesis the question of whether this distinct behavior may originate from a differential localization of these two receptors in adult cardiomyocytes is addressed. Therefore, fluorescence spectroscopy tools are developed and implemented in order to elucidate the presence and dynamics of these endogenous receptors at the outer plasma membrane as well as on the T-tubular network of intact adult cardiomyocytes. This allows the visualization of confined localization and diffusion of the β\(_2\)-AR to the T-tubular network at endogenous expression. In contrast, the β\(_1\)-AR is found diffusing at both the outer plasma membrane and the T-tubules. Upon overexpression of the β\(_2\)-AR in adult transgenic cardiomyocytes, the receptors experience a loss of this compartmentalization and are also found at the cell surface. These data suggest that distinct signaling and functional effects can be controlled by specific cell surface targeting of the receptor subtypes. The tools at the basis of this thesis work are a fluorescent adrenergic antagonist in combination of fluorescence fluctuation spectroscopy to monitor the localization and dynamics of the lowly expressed adrenergic receptors. Along the way to optimizing these approaches, I worked on combining widefield and confocal imaging in one setup, as well as implementing a stable autofocus mechanism using electrically tunable lenses.

Kationenkanäle der Canonical Transient Receptor (TRPC)-Familie spielen eine wichtige Rolle in der pathologischen Herzhypertrophie. Neben anderen Isoformen besitzt TRPC4 die Potenz, den strukturellen und funktionellen Umbau des Herzens im Rahmen der pathologischen Hypertrophie über Ca2+-Transienten zu bestärken. TRPC4-Kanäle sind nicht-selektive Kationenkanäle, die für Na+ und Ca2+ durchlässig sind. Sie setzen sich in der Plasmamembran zu Homo- oder Heterotetrameren zusammen. Die TRPC4-Kanalaktivität wird durch die Stimulation von Gq-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) reguliert und führt zu einem Ca2+-Einstrom, der für die Aktivierung von Calcineurin und des nuclear factor of activated T-cells (NFAT) notwendig ist. Eine weitere Aktivierungsform lässt sich über die Entleerung von intrazellulären Ca2+-Speichern (SOCE) aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) nachweisen. Die funktionelle Wirkung des TRPC4 ist von der Expression der beiden Splice-Varianten TRPC4α und TRPC4β abhängig. Um diese funktionelle Abhängigkeit der Splice-Variante C4β genauer zu charakterisieren, wurden in der vorliegenden Studie zytosolische Ca2+-Signale und deren Aktivierungsmechanismen analysiert. Für die Untersuchungen wurden neonatale Rattenkardiomyozyten (NRC) verwendet, die mit adenoviralen Vektoren infiziert wurden und TRPC4beta (Ad-TRPC4β), TRPC4alpha (Ad-TRPC4α) und beta-Galaktosidase (Ad-ßgal) als Kontrolle exprimierten. Es erfolgte eine Auswertung der Ca2+-Transienten, in der gezeigt werden konnte, dass TRPC4β den Ca2+-Einstrom in schlagenden Kardiomyozyten beeinflusst. Dies machte sich in einer erhöhten Ca2+-Amplitude unter basalen Bedingungen bemerkbar. Ebenfalls konnte deutlich gemacht werden, dass eine Ca2+-Entleerung des SR TRPC4β als sogenannten SOC (speicher-regulierten Kanal, store-operated channel) aktiviert. Außerdem reagierten TRPC4β-infizierte NRCs mit einem gesteigerten Ca2+-Maximalspitzenwert (peak) unter Stimulation mit dem GPCR-Agonisten Angiotensin II. Die Amplitude der Ca2+-Transienten bei Überexpression von Ad-TRPC4β war im Vergleich zur Ad-ßgal-Kontrollgruppe deutlich gesteigert. Darüber hinaus war der Abfall der Ca2+-Transienten der TRPC4β-exprimierenden Zellen beschleunigt. Dies lässt einen kompensatorischen Mechanismus vermuten, mit dem Ziel, einer Ca2+-Überladung der Zelle durch den TRPC4β-induzierten Ca2+-Einstrom entgegenzuwirken. In zusätzlichen Experimenten zeigte sich TRPC4β ebenfalls deutlich sensitiver gegenüber der Angiotensin II-Stimulation als TRPC4α. Weiterführende Untersuchungen ließen erkennen, dass TRPC4β, im Gegensatz zu anderen TRPC-Isoformen, keinen pro-hypertrophen, sondern vielmehr einen pro-apoptotischen Einfluss auf Kardiomyozyten ausübt. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Studie, dass eine erhöhte Aktivität der Splice-Variante TRPC4β mit kritischen Veränderungen zytosolischer Ca2+-Signale verbunden ist und somit ein entscheidender Faktor für die Entstehung und Progression kardialer Pathologien sein könnte.

In Kardiomyozyten ist Calcium (Ca2+) ein wichtiges Signalmolekül und eine präzise Regulation der Ca2+ Konzentration in den Zellkompartimenten erforderlich. Ca2+ wird Angiotensin II-induziert und vom Botenstoff IP3 vermittelt aus IP3 Rezeptoren des Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) freigesetzt, was zur mitochondrialen Ca2+ Aufnahme führt. Diese Kommunikationswege zwischen SR und Mitochondrium sind u.a. bei der Herzinsuffizienz durch pathologische Umbauprozesse gestört. Zudem zirkulieren bei Herzinsuffizienz vermehrt Hormone wie AngII, welches u.a. die intrazelluläre IP3 Konzentration steigert und als Hypertrophie Signal wirkt. Dieser Arbeit geht die Vermutung voraus, dass eine gestörte mitochondriale Ca2+ Aufnahme durch Veränderung des nukleären Ca2+ Transienten die hypertrophe Genexpression beeinflussen kann. Es wurde an ventrikulären Kardiomyozyten von adulten Mäusen mit kardiospezifischem MCU Knock out oder MCU Wildtyp untersucht, wie sich Ca2+ Transienten in Zytosol und Nukleus bei AngII-Stimulation und Störung der mitochondrialen Ca2+ Aufnahme durch Blockade des mRyR1 oder des MCU verändern. Zum Vergleich wurde der Effekt des β adrenerg vermittelten, IP3 unabhängigen Ca2+ Anstiegs beobachtet. Zur Untersuchung der Frequenzabhängigkeit der Effekte wurde die elektrische Stimulation wurde variiert. Die Arbeit zeigt, dass sich die Blockade der mitochondrialen Ca2+ Aufnahme unterschiedlich auf den nukleären Ca2+ Transienten auswirkt: Bei AngII-Stimulation kam es in Folge der Blockade des mRyR1, nicht aber des MCU, zur Steigerung des nukleären Ca2+ Transienten. Dieser Effekt war bei 1 Hz Stimulationsfrequenz, nicht aber nach einer Steigerung auf 4 Hz zu beobachten. Bei β adrenerger Stimulation hingegen veränderte die Blockade des MCU oder des mRyR1 die Ca2+ Transienten im Kern nicht signifikant. Die Arbeit verdeutlicht die Bedeutung der IP3 vermittelten Ca2+ Freisetzung für die Kontrolle der Ca2+ Konzentrationen in unterschiedlichen zellulären Kompartimenten.