Mechanische und humorale Stimulation von kardialen Myozyten

Zusammenfassung

Mechanische und humorale Faktoren werden unter anderem für die Entwicklung der Hypertrophie von Muskelzellen verantwortlich gemacht. Unter Hypertrophie versteht man die Größenzunahme eines Gewebes oder Organs durch Zellvergrößerung bei konstanter Zellzahl und -struktur. Sie ist damit gegenüber der Hyperplasie abzugrenzen, die mit einer Erhöhung der Zellzahl einhergeht. Die Hypertrophie ist im Herzen des Erwachsenen bei der Adaption des Organs an verschiedene pathologische Bedingungen wie Infarzierung oder Hypertonie von entscheidender Bedeutung, da die Teilung der Herzmuskelzellen in der Zeit nach der Geburt sistiert. Daher wurde die Wirkung verschiedender Wachstumsfaktoren auf die Initiation zellulärer Hypertrophie in Kulturen von isolierten Kardiomyozyten getestet, und mit Hilfe der elektrischen Feldstimulation der Einfluß mechanischer Aktivität auf das Wachstum der Zellen untersucht.

Die getesteten Faktoren Insulin ähnlicher Wachstumsfaktor (IGF I&II), Fibroblasten Wachstumsfaktor (FGF 1&2), Leukämiezellen inhibierender Faktor (LIF), Interleukin 11 (IL-11) und der Transformierende Wachstumsfaktor b1 (TGF-b1) waren nicht in der Lage, eine Hypertrophieentwicklung der Zellen zu bewirken (Proteingehalt nach 8 Tagen: IGF 77%, FGF 102%, LIF 64%, IL-11 40%, TGF-b1 78% der 2 Tage alten Kontrolle). Erst die Kombination von Wachstumsfaktoren wie sie in fetalem Kälberserum (FCS) und Endothelzell Wachstumszusatz (ECGS) vorliegt, konnte einen Anstieg an zellulärem Protein bewirken (FCS 110%, ECGS 118%).
Die Zellen in Kulturen mit hoher Syntheseleistung (IGF 212%, ECGS 385%, FCS 700%) veränderten ihre Morphologie sehr stark, indem sie abflachten und die Oberfläche vergrößerten. Zellen mit niedriger Syntheseleistung gelang diese Adaption nur in weit geringerem Maße (FGF 162%, LIF 135%, IL-11 133%, TGF-b1 57%); ihre längliche Form blieb weitgehend erhalten. Eine Sonderstellung in diesem Zusammenhang nahm TGF-b1 ein. Hatte es bei alleiniger Zugabe einen nur geringen Einfluß auf die Morphologie der Zellen, zeigte es in Kombination mit ECGS eine Suppression der ECGS-typischen adaptiven Wirkung. Die Proteinsyntheseerhöhung unter ECGS ging zurück (von 385 auf 228% der Kontrolle), der Proteingehalt stieg vergleichbar an (116%) und der strukturelle Umbau wurde blockiert.

Ausgehend von der Beobachtung, daß eine Beschleunigung der durch ECGS- oder FCS- induzierten Hypertrophieentwicklung mit spontaner kontraktiler Aktivität einsetzt, wurde die Hypothese getestet, daß myokardiale Erregung und Kontraktion zu zellulärer Hypertrophie führt. In Kulturen von adulten Kardiomyozyten, die für 24h elektrisch stimuliert wurden, war die Synthese (128,5%), der Gehalt (119,4%) and totaler Ribonukleinsäure (RNA) und die Proteinsynthese im Vergleich zur 24h kultivierten Kontrolle erhöht (162%). Der Proteingehalt veränderte sich nicht (94%). Diese Befunde stehen im Gegensatz zu Arbeiten von Kaye et al., die eine Hypertrophieentwicklung der Zellen unter Feldstimulation beschreiben. Sie postulierten als Mechanismus dieses Wachstums eine autokrine Stimulation durch FGF-2, das unter mechanischer Aktivität freigesetzt wird. Daher haben wir in der vorliegenden Arbeit auch die Expression von Wachstumsfaktoren unter elektrischer Feldstimulation untersucht. Die Transkriptionraten von FGF-1, FGF-2 und dem Rezeptor-1 für FGF (FGF-R1) blieben durch die elektrische Stimulation unbeeinflußt, die von VEGF erhöhte sich signifikant auf 136,6% der Kontrolle. Eine Zugabe des Tyrosinkinaseinhibitors Suramin oder eines spezifischen FGF-2 Antikörpers unter der Vorstellung einer verminderten FGF-Wirkung Wachstumsfaktor bewirkte keine Reduktion der beschriebenen Veränderungen auf RNA- und Proteinebene. Zusammengefaßt stellte daher die mechanische Aktivtät einen Wachstumsfaktor dar, der primär eine Adaption der Zellen an die Kultur im Sinne einer Dedifferenzierung bewirkt, aber nicht zur Hypertrophie der Zellen führt.

Aus der vorliegenden Arbeit schließen wir, daß Hypertrophie ein komplexer Prozess ist, der die Interaktion verschiedener humoraler und mechanischer Wachstumsfaktoren vorraussetzt. Einzelne rekombinante Wachstumsfaktoren waren nicht in der Lage eine Hypertrophie der Herzmuskelzellen hervorzurufen. Die verschiedenen humoralen und mechanischen Stimuli beeinflussten nur Teile des Proteinumsatzes in kardialen Myozyten. Durch die sehr unterschiedlichen Wirkungspektren behindern oder verstärken sich die Faktoren in Ihrer Wirkung. Während IGF zu einer starken Dedifferenzierung der Zellen führte, die durch eine hohe Proteinsynthese und Degradation gekennzeichnet war, konnte TGF-b1 als Differenzierungshormon identifiziert werden, das eine durch ECGS induzierte Dedifferenzierung verhinderte. Daher ist zu vermuten, das die einzelnen Wachstumsfaktoren auf Ebene der Signaltransduktion interagieren und erst in einer geeigneten Kombination in der Lage sind, zelluläre Hypertrophie hervorzurufen.