Projekt 2: Kardiales Wachstum und Kontrolle der Organgröße im Herzen

Das Herz ist eines der ersten Organsysteme, das im Laufe der embryonalen Entwicklung funktionstüchtig sein muss. Demzufolge sind sowohl die frühembryonale Bildung und Strukturierung des Herzens als auch dessen Wachstum und Ausreifung in der Fetalphase für das Überleben des Organismus von entscheidender Bedeutung.

Im Rahmen eines unserer Forschungsprojekte untersuchen wir die Wachstumsregulation des prä- und postnatalen Herzen auf molekularer sowie zellulärer Ebene. Das embryonale und fetale Herz wächst in erster Linie durch Proliferation, also durch Zellteilung und somit einer Vermehrung der Zahl an Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten). Um die Geburt herum ändert sich das Wachstumsverhalten grundlegend, und das postnatale Herz wächst vor allem durch eine Größenzunahme (Hypertrophie) der bestehenden Zellen, während Zellteilung praktisch keine Rolle mehr spielt. Dieser postnatale Zellzyklus-Austritt der Herzmuskelzellen wird als eine der Hauptursachen dafür angesehen, dass das adulte Herz keine Fähigkeit zur Regeneration besitzt.
Parallel dazu ändert sich auch der kardiale Energiehaushalt. Während das embryonale und fetale Herz vor allem auf den anaeroben Abbau von Glukose durch Glykolyse angewiesen ist, wird im postnatalen Herzen vor allem Fettsäure und Glukose mit Hilfe der oxidativen Phosphorylierung in Mitochondrien genutzt. Das Umschalten von proliferativem zu hypertrophem Wachstum auf der einen und von glykolytischem zu oxidativem Stoffwechsel auf der anderen Seite ist auf molekularer Ebene kaum verstanden, wobei es nahe liegt, dass beide Prozesse miteinander verknüpft sind.

In unseren Forschungsarbeiten mit Mäusen untersuchen wir die molekularen und zellulären Veränderungen im Myokard unmittelbar um die Geburt herum. Dabei versuchen wir herauszufinden, wie die Zellteilung von Kardiomyozyten im embryonalen und fetalen Herzen reguliert wird und was zum Zellzyklus-Austritt nach der Geburt führt. Weiterhin untersuchen wir das Größenwachstum der postnatalen Kardiomyozyten, um auf molekularer Ebene Unterschiede zu pränatalen Zellen zu identifizieren. Die aus diesen Arbeiten hervorgehenden Daten sollten Aufschlüsse über die Entstehung von kardialen Wachstums- und Entwicklungsstörungen (inkl. angeborener Herzfehler) sowie die Regenerationsfähigkeit des adulten Herzens liefern. Außerdem ergeben sich Implikationen für Frühgeburten, ein Zustand, bei dem das fetale Herz vorzeitig einer postnatalen Umgebung ausgesetzt ist. Eine wichtige Frage in diesem Zusammengang ist, wie das unreife Herz mit den postnatalen Bedingungen fertig wird und welche Auswirkungen diese auf die Zellteilung und den Stoffwechsel der Kardiomyozyten haben.

Weiterhin interessieren wir uns für die Kontrolle der Organgröße im Herzen. Die finale Größe des erwachsenen Herzens korreliert streng mit der Körpergröße, so dass das Verhältnis von Herzgewicht zu Körpergewicht bei unterschiedlich großen Individuen meist gleich ist. Wie oben erläutert, spielt die Proliferation von Kardiomyozyten im postnatalen Herzen kaum noch eine Rolle, so dass die endgültige Größe des Herzens vor allem durch die Hypertrophie der Zellen bedingt ist. Eine wichtige Frage in diesem Zusammenhang ist, wie das Herz seine eigene Größe detektiert und wie es folglich „entscheidet“, das Wachstum einzustellen oder fortzusetzen bzw. wieder aufzunehmen.
Wir untersuchen diese Frage unter anderem mit Hilfe des Hccs-Knockout-Models (siehe Projekt 1). Trotz der embryonalen Herzregeneration in cHccs+/- Weibchen sind deren Herzen bei der Geburt kleiner als die von Kontrolltieren, was sich durch ein verringertes Herzgewicht, dünnere Herzwände und eine reduzierte Zahl an Kardiomyozyten äußert. Interessanterweise normalisiert sich die kardiale Organgröße in den ersten Wochen nach der Geburt, was auf ein gesteigertes Größenwachstum der Kardiomyozyten, nicht aber eine Angleichung der Zellzahl zurückzuführen ist. Dies legt nahe, dass in Folge einer gestörten intrauterinen Entwicklung nach der Geburt kompensatorische Wachstumsprozesse aktiviert werden können, die für eine Normalisierung der Herzgröße sorgen. Wir versuchen derzeit, die daran beteiligten molekularen Mechanismen zu charakterisieren, wobei insbesondere verschiedene Stoffwechsel- und Wachstumsregulatoren, wie der mTOR- (mechanistic target of rapamycin), AMPK- (AMP activated protein kinase) und Hippo-Signalweg, sowie ein suffizienter Aminosäure-Metabolismus und die Kontrolle der Proteinbiosynthese involviert zu sein scheinen. Diese Studien sollten wichtige Aufschlüsse über die Folgen einer pränatalen Entwicklungsstörung für das Herz im Erwachsenenalter liefern.

 

Abbildung 2: Detektion von Zellzyklus-Aktivität im postnatalen Herzen. Immunfluoreszenz Analysen ermöglichen die Detektion von proliferierenden Zellen im ventrikulären Myokard von Mäusen am postnatalen Tag 4 (P4) oder 10 (P10). Mitotische Zellen können mit Hilfe von Antikörpern gegen phosphoryliertes Histone H3 (PHH3) identifiziert werden, während Ki67 Zellen in verschiedenen Stadien des Zellzyklus markiert (beide jeweils rot dargestellt, siehe Pfeile). Kardiomyoyzten können entweder aufgrund ihrer Größe und Morphologie mit Hilfe von WGA (wheat germ agglutinin) Membran-Färbungen oder durch die Expression des Sarkomer-assoziierten Proteins Troponin T identifiziert werden (beide jeweils in grün). (Konfokale Laser Scanning Mikroskopie, Messbalken = 25 µm im linken und 50 µm im rechten Bild, Zellkerne sind blau dargestellt)

Relevante Publikationen:
Drenckhahn JD, Strasen J, Heinecke K, Langner P, Yin KV, Skole F, Hennig M, Spallek B, Fischer R, Blaschke F, Heuser A, Cox TC, Black MJ, Thierfelder L. Impaired myocardial development resulting in neonatal cardiac hypoplasia alters postnatal growth and stress response in the heart. Cardiovasc Res 2015;106:43-54.
doi: 10.1093/cvr/cvv028.

Hennig M, Fiedler S, Jux C, Thierfelder L, Drenckhahn JD. Prenatal Mechanistic Target of Rapamycin Complex 1 (mTORC1) Inhibition by Rapamycin Treatment of Pregnant Mice Causes Intrauterine Growth Restriction and Alters Postnatal Cardiac Growth, Morphology, and Function. J Am Heart Assoc 2017;6(8). pii: e005506.
doi: 10.1161/JAHA.117.005506.

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