Die Identifizierung endogener Stammzellen mit kardiogenem Potenzial und die Möglichkeit, deren Differenzierung zu steuern, würde einen Meilenstein in der kardioregenerativen Therapie darstellen. Innerhalb der Gefäßwand konnten unterschiedliche Stamm- und Vorläuferzellen identifiziert werden, die sog. Gefäßwand-residenten Stammzellen (VW-SCs). Zuletzt konnten aus CD34(+) VW-SCs, ohne genetische Manipulation, Kardiomyozyten generiert werden. Zusätzlich fungiert die Gefäßwand als Quelle inflammatorischer Zellen, die essenziell für die kardiogene Differenzierung der VW-SCs zu sein scheinen. Ziel dieser Arbeit war es, das Verhalten von CD44(+) VW-SCs zu untersuchen, um herauszufinden, inwieweit dieser Stammzelltyp eine endogene Generierung von Kardiomyozyten unterstützen könnte. Dabei wurde mit infarzierten Mäuseherzen, dem Aortenringassay (ARA) und dem kardialen Angiogeneseassay (CAA) gearbeitet. Sowohl in vivo in ischämischen Arealen infarzierter Mäuseherzen als auch ex vivo im CAA kam es zu einem signifikanten Anstieg von CD44(+) Zellen. Mittels Färbungen auf CD44 und Ki-67 konnte die Teilungsfähigkeit dieser Zellen demonstriert werden. Ex vivo ließen sich aus CD44(+) Zellen F4/80(+) Makrophagen generieren. Die CD44(+) VW-SCs können sich dabei sowohl zu pro-inflammatorischen iNOS(+) M1- als auch zu anti-inflammatorischen IL-10(+) M2-Makrophagen differenzieren. Eine Modulation der kardialen Inflammation könnte einen entscheidenden Einfluss auf die Kardiomyogenese haben. Unter VEGF-A kam es im CAA zu einer deutlichen Zunahme von CD44(+) Zellen. Unter Lenvatinib blieb das kardiale Sprouting gänzlich aus, die Anzahl der CD44(+) Zellen stagnierte und die VW-SCs verblieben in ihren physiologischen Nischen innerhalb der Gefäßwand. Warum es nach einem MI kaum zu einer funktionellen Herzmuskelregeneration kommt, ist weiterhin unklar. Die therapeutische Beeinflussung koronaradventitieller CD44(+) VW-SCs und inflammatorischer Prozesse könnte dabei zukünftig eine wichtige therapeutische Option darstellen.

Das Herz ist physiologisch auf einen fein regulierten und ausgeglichenen bioenergetischen Energiehaushalt angewiesen, um auf akute Belastungssituationen adäquat reagieren zu können und oxidativen Stress zu vermeiden. Ca2+ reguliert zentral sowohl die zyklischen Kontraktions-/Relaxationsprozesse (ECC) als auch unmittelbar den mitochondrialen Metabolismus. Der ECC liegt in den Kardiomyozyten die Ca2+- Freisetzung durch die RyR2 zu Grunde; die IP3 Rezeptoren des sarkoplasmatischen Retikulums (SR) führen davon unabhängig zu einer Ca2+ Freisetzung aus dem SR. Diese IP3R vermittelten Signale werden in den räumlich nahe gelegenen Mitochondrien zum Teil über den mRyR1 in die mitochondriale Matrix aufgenommen und stimulieren dort langfristig die oxidative Phosphorylierung und den Erhalt der antioxidativen Kapazität. Die enge räumliche Nähe zwischen SR und Mitochondrien wird durch Strukturproteine wie Mitofusin 2 (Mfn2) ergänzt, die das SR mit der äußeren Mitochondrienmembran koppeln und so die Ca2+-Interaktion beeinflussen. Ziel der Arbeit war, den Effekt von Mfn2 Defizienz auf die IP3 induzierte mitochondriale Ca2+-Regulation in Kardiomyozyten zu evaluieren. Dazu erfolgten Fluoreszenzfärbungen an adulten isolierten Ventrikelkardiomyozyten kardiospezifischer Mfn2 Knock-Out (KO) Mäusen bzw. deren wildtypischen Geschwistertieren (WT). Erhobene Parameter umfassten das mitochondriale Ca2+, das mitochondriale Membranpotenzial, die mitochondriale Superoxidbildung und mitochondriale ATP-Gehalt. Die Ergebnisse bestätigten eine Signalachse, bei der die Stimulation von isolierten murinen Kardiomyozyten mit dem IP3 Agonisten ET-1 zu einer mitochondrialen Ca2+ Aufnahme führte, dem Erhalt des mitochondrialen Membranpotenzials diente und der ATP Gehalt stiegt. Bei induzierter kardiospezifischer Ablation von Mfn2 geht diese SR-mitochondriale Interaktion verloren, und es entstand ein energetisches Defizit sowie eine verminderte Superoxidbildung. Bei beta-adrenerger Stimulation mit Isoproterenol (ISO) resultierte in WT zwar eine mitochondriale Ca2+-Aufnahme, allerdings ein Abfall des ATP-Gehaltes. In den Mfn2 defizienten Kardiomyozyten zeigte sich eine Steigerung des ATP-Gehaltes auch auf beta-adrenerge Stimulation, die einen energetischen Kompensationsmechanismus in den Mfn2 KO Tieren vermuten lässt. Dies identifiziert Mfn2 als kritische Strukturkomponente für die basale bioenergetische Adaptation der durch IP3R-mRyR1 vermittelten Signalachse unter physiologischen Bedingungen.

In this Doctoral Thesis we investigated the consequences of perturbed mitochondrial calcium handling in the context of a rare human disease, Barth syndrome, in which the altered phospholipid composition of the inner mitochondrial membrane affects the structural organization of several protein complexes, including the mitochondrial calcium uniporter. We discovered that loss of the mitochondrial calcium uniporter in cardiac, but not skeletal muscle mitochondria hinders the calcium-induced adaptation of mitochondrial oxidative metabolism during workload transitions. This mechano-energetic uncoupling impairs the physiological increase in contractile force during physical exercise and might predispose Barth syndrome patients to the development of arrhythmias.

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.