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Auswirkungen einer systemischen Hypertonie auf parakrine Effekte kardialer Progenitorzellen

Krehbiehl, Nina-Kristin


Originalveröffentlichung: (2010) Giessen : VVB Laufersweiler
pdf-Format: Dokument 1.pdf (11.000 KB)

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Veterinär-Physiologie; Physiologisches Institut
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 978-3-8359-5636-0
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.10.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 29.11.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Viele wissenschaftliche Untersuchungen und klinische Experimente konnten in
jüngster Zeit die funktionsverbessernden Wirkungen von kardialen Stammzellen und
Progenitorzellen, vorwiegend auf das erkrankte Herz, beweisen. Die exakten
Mechanismen dieser positiven Beeinflussung sind bis dato weitestgehend ungeklärt.
Diese Studie gab uns die Möglichkeit, die parakrinen Effekte adulter kardialer
Progenitorzellen (CPC) in Hinblick auf das Management des kranken Herzens zu
untersuchen. Die Progenitorzellen wurden aus Herzgewebe von normotensiven
Wistar Ratten (WIS), spontan hypertensiven Ratten (SHR) sowie von Menschen
gewonnen, wobei bei Letzteren eine Zuordnung zu Gruppen von Hypertonikern und
Nichthypertonikern erfolgte. Dabei wurden im Zuge der Kultivierung die
konditionierten Überstände der Progenitorzellen gewonnen und in anschließenden
Versuchen auf ihre Einflüsse hinsichtlich des Remodelings und der kardialen
Funktion von isolierten Kardiomyozyten und Ganzherzen analysiert. Bei dem Großteil
der Untersuchungen standen die kardialen Progenitorzellen und deren Überstände
am Ende der sechswöchigen Kultivierungsphase im Fokus. Zu diesem Zeitpunkt
gewonnene konditionierte Überstände wurden zusammen mit ihren unkonditionierten
Kontrollen in den Experimenten zur Untersuchung der kardialen Funktion und des
Remodelings verwendet.
Die Charakterisierung ex vivo generierter Progenitorzellen erfolgte anhand von
typischen kardialen Markern und Stammzellmarkern, welche durch Western Blot,
RT-PCR und Immunfluoreszenz nachgewiesen werden konnten. Zudem wurde in
den Zellen das Auftreten von spontanen Calciumtransienten überprüft. Versuche, in
denen konditionierte Überstände kardialer Progenitorzellen für 24 Stunden mit
isolierten Kardiomyozyten inkubiert wurden, zeigten eine signifikante Verbesserung
der kontraktilen Funktion, was auf zellulärer Ebene auf einen ebenfalls
nachgewiesenen Anstieg des Serca 2a/NCX-Verhältnisses (Indikator für
verbessertes Calciumhandling) zurückzuführen ist. Auf gleiche Weise behandelte
Kardiomyozyten zeigten im Hoechst-Assay eine Verminderung der Apoptoserate,
was wiederum durch einen signifikanten Anstieg des Bcl-2/Bax-Verhältnisses
(Überwiegen des anti-apoptotischen Effekts) verursacht wird. In beiden Versuchen
konnte eine Verstärkung des Effekts bei Verwendung von Überständen von SHR im
Vergleich zu WIS sowie in Versuchen mit Kardiomyozyten von SHR gezeigt werden.
Generell konnte eine erhöhte Ansprechbarkeit isolierter Kardiomyozyten von SHR
auf die konditionierten Überstände von SHR ermittelt werden. Diese Überstände
wurden für Ischämie-Reperfusions-Versuche im Langendorff-Modell mit Herzen von
WIS und SHR verwendet. Hierbei konnte in beiden Gruppen eine Verbesserung der
Postinfarkt-Erholung (Recovery) und in den SHR Herzen eine erhöhte mRNAExpression
des Bcl-2 im Verhältnis zu Bax beobachtet werden.
Die Untersuchungen zur Auswirkung auf die kontraktile Funktion wurden auch mit
Überständen von humanen Progenitorzellen durchgeführt, wobei deren Spender vor
dem Hintergrund ihres Blutdruck-Status bewertet wurden. Hierbei ergab sich
wiederum ein signifikanter Anstieg der kontraktilen Funktion bei der Gruppe der
Nichthypertoniker, welcher bei der Gruppe der Hypertoniker sogar hoch signifikant
ausfiel. Bei der Zusammenfassung aller Versuche mit humanen Progenitorzellen wird
eine deutliche Korrelation zwischen dem Status der Hypertonie und der
Verbesserung der kontraktilen Funktion von isolierten Kardiomyozyten ersichtlich.
Bei der Zytokin-Analyse der Überstände konnten in den verschiedenen Gruppen
deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung und Konzentration der
freigesetzten Zytokine beobachtet werden. Besonders auffällig waren hierbei die
Zytokine IL-6, welches von den SHR Progenitorzellen im Vergleich zu WIS vermehrt
sezerniert wurde, sowie MIP-3α und TNF-α, welche von SHR vermindert sezerniert
wurden. In den humanen Überständen aus Progenitorzellen von Hypertonikern
wurden die Zytokine IL-6, IL-8, MCP-1, MMP-1 und TIMP-1 vermehrt sezerniert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass kardiale Progenitorzellen in der Lage sind,
die kardiale Funktion und das Remodeling des Herzens durch parakrine
Mechanismen zu verbessern. Die Ausprägung der Effekte wird hierbei sowohl durch
den Donor als auch den Empfänger der konditionierten Überstände beeinflusst.
Diese Phänomene sind wiederum sowohl auf das unterschiedliche parakrine Profil
(Zytokincocktail) der Progenitorzellen (Donor) als auch die auf die Konstitution des
untersuchten Materials (Empfänger) zurück zu führen. In beiden Fällen nimmt also
der Status der Vorerkrankung einen ausgeprägten Einfluss auf das Geschehen.
Diese Erkenntnisse stellen ein Schlüsselelement zukünftiger Forschungen dar und
ermöglichen somit eine gezielte Untersuchung von Signaltransduktionswegen und
Mechanismen, um das Potenzial der Zytokine in der gezielten Behandlung kardialer
Erkrankungen ausnutzen zu können.
Kurzfassung auf Englisch: A numerousness of scientific investigations and clinical trials in the recent past could
prove the function-improving impacts of cardiac stem cells and progenitor cells,
predominantly with regard to the diseased heart. The exact mechanisms of these
positive influences are as far as possible not yet resolved. This study gave us the
possibility to examine the paracrine effects of adult cardiac progenitor cells (CPC) in
terms of the management of the failing heart.
The progenitor cells were gained from heart tissue of normotensive Wistar rats (WIS),
spontaneous hypertensive rats (SHR) and of humans, whereas at the latter an
allocation to groups of hypertonic patients and non-hypertonic patients was carried
out. In the course of the cultivation, conditioned supernatants from progenitor cells
were gained and used in subsequent experiments for analyses of remodeling and
cardiac function of isolated cardiomyocytes and isolated hearts. The bulk of trails
focused on the progenitor cells and their supernatants at the end of the six-week
culture period. Supernatants that where gained at this point in time were, together
with their unconditioned controls, used in analyses of cardiac function and
remodeling.
The characterisation of the ex vivo generated progenitor cells took place by means of
typical cardiac markers and stem cell markers, which could be detected by western
blotting, RT-PCR and immunostaining. Furthermore, the occurrence of spontaneous
calcium-transients in these cells was verified.
Trials, in which conditioned supernatants of cardiac progenitor cells were incubated
for 24 hours with isolated cardiomyocytes, showed a significant increase in
contractile function, which is on cellular rank due to a likewise proved rise of the
Serca 2a/NCX-ratio (indicator for improved calciumhandling). Cardiomyocytes that
were treated in a similar manner showed a decreased rate of apoptosis in Hoeassays,
which in turn is caused by a significant increase of the bcl-2/bax-ratio
(preponderance of the anti-apoptotic effect). In each case by using supernatants from
SHR or cardiomyocytes from SHR an amplification of the observed effect in
comparison to those from WIS occurred. Generally, a higher receptiveness of
isolated cardiomyocytes from SHR to the conditioned supernatants from SHR could
be ascertained. These supernatants from SHR were used in Langendorff-ischaemiareperfusion-
tests with isolated hearts from WIS and SHR.
In this connection in both groups, an amelioration of the post-infarct-recovery and an
increased mRNA-expression of Bcl-2/Bax-ratio in SHR-hearts could be noticed.
The impact studies on the contractile function were also carried out with supernatants
from human progenitor cells, at which their donors were stated at the background of
their hypertension. At this again a significant increase of contractile function in the
group of non-hypertonic patients was observed, which increased in the group of
hypertonics to a high significant level. Summing up all the results from human
progenitor cells, a marked correlation between the status of hypertension and the
increase of the contractile function of isolated cardiomyocytes becomes evident.
By performing cytokine-analysis of supernatants remarkable differences in
composition and concentration of released cytokines could be observed. In particular
noticeable were the cytokines IL-6, which was augmented produced from SHR
progenitor cells in comparison to WIS and MIP-3α and TNF-α, which were diminished
in supernatants from SHR. In human supernatants from progenitor cells of hypertonic
patients the cytokines IL-6, IL-8, MCP-1, MMP-1 and TIMP-1 were produced in larger
quantities.
In summary, cardiac progenitor cells have the ability to ameliorate the cardiac
function and remodeling of the heart by acting via paracrine mechanisms. The value
of the effects is at this juncture influenced by the donor as well as by the receptor of
the conditioned supernatants. These phenomenons are again caused by the variable
paracrine profile (cytokine-cocktail) of the progenitor cells (donor) on the one hand
and due to the condition of the observed material (recipient) on the other hand. In
both cases the status of the pre-existing conditions exerts a distinct influence on the
event. These findings pose a main element of prospective researches and therefore
enable the selective investigation in mechanisms and paths of signal-transduction to
take advantage of the potential of cytokines in the well-directed treatment of cardiac
diseases.