Projekt 4: Zelltod und Stress-Resistenz in embryonalen versus adulten Kardiomyozyten
Neben einer Reihe von regenerativen Therapieansätzen mit dem Ziel, abgestorbene Zellen nach einem Gewebeschaden des Myokards durch neue Kardiomyozyten zu ersetzten, ist ein weiteres wichtiges Konzept, die Toleranz der Zellen gegenüber Stress zu erhöhen und somit den Zelltod von vornherein zu unterbinden. Um derartige kardioprotektive Strategien verfolgen zu können, ist zunächst ein genaues Verständnis der molekularen Mechanismen nötig, die für die Stressantwort, den Zelltod und das Überleben von Kardiomyozyten verantwortlich sind. In dieser Hinsicht geht man generell davon aus, das embryonale und fetale Kardiomyoyzten deutlich resistenter gegenüber pathologischen Bedingungen sind als adulte Zellen.
Bei der Untersuchung der embryonalen Herzregeneration in cHccs+/- Mäusen (siehe Projekt 1) fiel auf, dass HCCS-defiziente Kardiomyozyten trotz mitochondrialer Dysfunktion überleben und auch nach der Geburt im Myokard nachweisbar sind. Speziell in diesen defekten embryonalen Kardiomyozyten werden dabei verschiedene Gene und Signalkaskaden induziert bzw. aktiviert, die bei der zellulären Stressantwort und Zellprotektion eine Rolle spielen. Dies schließt molekulare Mechanismen zur Entgiftung von Sauerstoffradikalen, Regulation des programmierten Zelltods (Apoptose) bzw. des Zellüberlebens sowie Aufrechterhaltung einer normalen Proteinbiosynthese ein. Um herauszufinden, ob eine derartige Stressantwort für das embryonale Herz charakteristisch ist, untersuchten wir adulte Mäuse mit einer mitochondrialen Dysfunktion. In der Tat kann eine Reihe von protektiven Mechanismen im adulte Herzen im Gegensatz zum Embryo nicht aktiviert werden. Derartige Daten unterstützen die Hypothese, dass der Verlust von embryonalen Schutzmechanismen nach der Geburt zu einer hohen Anfälligkeit von adulten Kardiomyozyten gegenüber pathologischen Bedingungen beiträgt.
In laufenden Studien untersuchen wir die grundlegenden Unterschiede in der zellulären Stressantwort, der Apoptose-Regulation und des Zellüberlebens in pränatalen im Vergleich zu adulten Kardiomyozyten in vitro. Hierfür werden embryonale, neonatale und adulte Kardiomyozyten sowie stabile kardiale Zelllinien in Anwesenheit verschiedener Inhibitoren der mitochondrialen Atmungskette kultiviert. Erste Daten bestätigen, dass undifferenzierte Zellen aus dem embryonalen Herzen gegenüber einzelnen (wenn auch nicht allen) Inhibitoren der Atmungskette resistent sind, während differenzierte Kardiomyozyten innerhalb kurzer Zeit absterben. Die molekularen Veränderungen der jeweiligen Stressantwort werden dabei mit Hilfe von RNA-Expressionsanalysen, Western Blot und Immunfluoreszenz-Analysen untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei Gene oder Signalkaskaden, die in embryonalen aber nicht in adulten Kardiomyozyten als Antwort auf eine mitochondriale Dysfunktion aktiviert werden, da diese mögliche Ziele darstellen, um das Überleben in Letzteren zu verbessern. Für die vielversprechendsten Kandidaten werden demnach funktionelle Untersuchungen durchgeführt, indem sie in embryonalen Kardiomyozyten gezielt ausgeschaltet werden, was deren Toleranz gegenüber Stress reduzieren müsste. Hier legen vorläufige Daten nahe, dass vor allem eine suffiziente Entgiftung bzw. Neutralisierung von reaktiven Sauerstoffverbindungen, die bei mitochondrialer Dysfunktion vermehrt gebildet werden, für das Überleben embryonaler Zellen wichtig ist. In einem entgegengesetzten Ansatz würde die Aktivierung dieser Faktoren in adulten Kardiomyozyten deren Stressresistenz erhöhen. Zusammenfassend könnte das embryonale Herz auf diese Weise nicht nur Hinweise für regenerative Therapien im adulten Herzen liefern, sondern auch neue Strategien für zellprotektive Ansätze aufzeigen.
Abbildung 4: Charakterisierung von isolierten, adulten Maus-Kardiomyozyten.
Primäre Kardiomyozyten wurden aus dem adulten Mausherzen mit Hilfe einer retrograden Organperfusion und enzymatischem Verdau des Herzgewebes isoliert. Das rechte Bild zeigt eine Phasenkontrast-Aufnahme von stabförmigen Kardiomyozyten in der Zellkulturschale. Das rechte Bild zeigt eine Immunfluoreszenz-Färbung (Konfokale Laser Scanning Mikroskopie, Messbalken = 25 µm) mit einem Antikörper gegen das Sarkomer-Protein α-Actinin (in grün). Dieser markiert die Querstreifung in Kardiomyozyten, die durch die Anordnung von ausgereiften Sarkomer-Strukturen zustande kommt (Zellkerne sind mit DAPI gefärbt und blau dargestellt).
Relevante Publikationen:
Drenckhahn JD, Schwarz QP, Gray S, Laskowski A, Kiriazis H, Ming Z, Harvey RP, Du XJ, Thorburn DR, Cox TC. Compensatory growth of healthy cardiac cells in the presence of diseased cells restores tissue homeostasis during heart development. Dev Cell 2008;15:521-533.
doi: 10.1016/j.devcel.2008.09.005.
Magarin M, Pohl T, Lill A, Schulz H, Blaschke F, Heuser A, Thierfelder L, Donath S, Drenckhahn JD. Embryonic cardiomyocytes can orchestrate various cell protective mechanisms to survive mitochondrial stress. J Mol Cell Cardiol 2016;97:1-14.
doi: 10.1016/j.yjmcc.2016.04.007.