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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000761-4

Transkriptomanalysen myokardialer Erkrankungen - Charakterisierung von krankheits und Therapie-assoziierten Genexpressionsänderungen in Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie

  • Myokardiale Erkrankungen gehören zu den häufigsten Todesursachen. Das Verständnis der molekularen, patho-physiologischen Ereignisse ist somit entscheidend für die Suche nach geeigneten Therapien. Um einen Einblick in zelluläre Ereignisse der kardialen Erkrankungen zu erhalten, sollten in der hier vorgelegten Arbeit Genexpressionsanalysen unter Verwendung von DNA-Mikroarrays durchgeführt werden. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die Charakterisierung der Immunadsorptionstherapie (IA/IgG-Therapie), die eine Therapieoption der dilatativen Kardiomyopathie (DCM) darstellt. Anhand von Genexpressionsanalysen immunadsorbierter Patienten sollte der Therapieeffekt analysiert werden. Dafür wurde zunächst die Etablierung eines Protokolls zur Isolation von Protein und RNA aus humanen endomyokardialen Biopsien von DCM-Patienten nötig. Um die mit der Therapie verbundenen Genexpressionsänderungen einordnen zu können, sollte zunächst das Genexpressionsmuster von 47 DCM-Patienten mit Patienten ohne Einschränkung der Pumpfunktion (Kontrollen) verglichen und mittels Real-time PCR validiert werden. Die Betrachtung dieser DCM-Patienten und Patienten, die eine normale Pumpfunktion aufwiesen, ergab 649 Gene mit krankheitsbedingt veränderter Expression. Zu diesen gehören neben bekannten Herzinsuffizienz-Markern (BNP, ANP, MYH6) Gene, die Proteine des Protein-Ubiquitinylierungssystem kodieren oder an der Ausprägung von Hypoxie und Fibrose (Connective tissue growth factor) beteiligt sind und auf eine Dysregulation des Proteinabbaus, erhöhten oxidativen Stress und Matrix-Remodeling hinweisen. Darüber hinaus ist aufgrund der geringeren Expression von Genen, die der oxidativen Phosphorylierung und Glykolyse zuzuordnen sind, von einer Energielimitation in DCM-Patienten auszugehen. Unter Berücksichtigung von verschiedenen klinischen Parametern bestand weiterhin die Aufgabe, den Einfluss dieser Parameter auf die Genexpression zu klären. Während wenig Korrelationen zu Body-Mass-Index (BMI), Alter und Krankheitszeitraum auftrat, wurde eine Häufung von Genen festgestellt, deren Expression zur LVEF und LVIDd korreliert. Gene, die Regulatoren mit myokardialer Funktion kodieren (ADRA1A, ADRB2, PLN, RYR2), zeigten gleichzeitig Korrelationen zur LVEF und dem LVIDd (p<0,05). Darüber hinaus sollte das Genexpressionsprofil von Patienten, die von der IA/IgG-Therapie profitieren (Responder) mit den Patienten ohne Therapieerfolg (Nonresponder) vor und 6 Monate nach der IA/IgG-Therapie verglichen werden. In der Subgruppe der Responder wurde für 171 Gene eine signifikant unterschiedliche Expression bestimmt, während die Zahl der durch die Therapie in ihrer Expressionshöhe betroffenen Gene in Nonrespondern mit 72 wesentlich geringer ausfiel. Gene, die sowohl in Respondern nach Therapie als auch krankheitsbedingt verändert waren, konnten kaum beobachtet werden, so dass andere Mechanismen für den Therapieeffekt verantwortlich sein müssen. Neben einer geringeren Expression des ACE2 wurde auch eine Abnahme Fibrose-assoziierter Gene wie CTGF, Fibronectin und Collagen 1A2 in Respondern nach IA/IgG-Therapie beobachtet. Zudem war eine signifikante LVIDd-Abnahme in Respondern zu verzeichnen, die in Nonrespondern nicht zu erkennen war. In Nonrespondern wurde nach IA/IgG-Therapie dagegen die verminderte Expression einiger Komplementfaktoren beobachtet. Zudem bestand die Aufgabe in der Suche nach Genexpressionsänderungen immunadsorbierter DCM-Patienten, die mit der Änderung klinischer Parameter korrelieren. Weiterhin sollte im Rahmen dieser Arbeit eine beschreibende Signatur definiert werden, die eine Vorhersage des Therapieerfolges für den individuellen DCM-Patienten vor Durchführung der IA/IgG-Therapie ermöglicht. Unter Verwendung des Resamplings (Crossvalidierung) wurde mit Hilfe einer Support Vector Machine eine Signatur von 25 Genen definiert, die eine Klassifizierung der Subgruppen mit einer Fehlerrate von 3,7% erlaubt. Die in Abhängigkeit verschiedener, myokardialer Parameter gezeigten Genexpressionsunterschiede in DCM-Patienten spiegeln die Dynamik der Erkrankung wider. Der Einfluss der IA/IgG-Therapie auf die Genexpression von Patienten, die an der DCM erkrankt sind, betrifft eine Vielzahl von Genen verschiedener Kategorien. Korrelationsanalysen zeigen, dass ein Zusammenhang zwischen Genexpressionsänderung und den Änderungen der Parameter LVEF, LVIDd und Inflammation bestehen. Mit der Definition von Patienten, die von der IA/IgG-Therapie profitieren, wurden auch Unterschiede bezüglich klinischer Parameter (LVIDd, Zeitraum der Erkrankung) deutlich, die zum Verständnis der hier dargestellten Genexpressionsunterschiede beitragen. Die generierten Daten bieten neben dem besseren Verständnis der im Myokard ablaufenden Prozesse eine Reihe von Ansatzpunkten für weitere Untersuchungen, wie zum Beispiel zur Rolle des IGF-1-Signalweges oder des Protein-Ubiquitinylierungssystems bei der Ausprägung der DCM, die auch zu neuen Therapieansätzen beitragen können.
  • Myocardial diseases represent prevalent causes of death. The understanding of molecular patho-physiological events is mandatory for the search of appropriate therapeutic approaches. In this present work gene expression analyses using DNA microarrays were performed to gain insights in cellular events of cardiac diseases. Focus of this PhD thesis was the analysis of gene expression changes after immunoadsorption therapy (IA/IgG) using endomyocardial biopsies of patients suffering from dilated cardiomyopathy (DCM). Therefore, a protocol for RNA and protein isolation was established. To rank the results of therapy associated gene expression, gene expression patterns of 47 DCM patients were compared to patients with normal (8) left ventricular function and results were validated by real time PCR. Investigation of myocardial mRNA levels in DCM patients and individuals with normal heart-function revealed differential expression of 649 disease associated genes. Beside known markers for heart failure (BNP, ANP, MYH6), differential expression included genes, which encode proteins of the protein ubiquitination system or hypoxia and fibrosis (CTGF). These genes may indicate dysregulation of protein degradation, elevated level of oxidative stress and matrix remodeling. Moreover, lower expression of genes, which were assigned to oxidative phosphorylation and glycolysis suspects an energy limitation in DCM patients. With respect to different clinical parameters as left ventricular ejection fraction (LVEF), left ventricular internal diameter at diastole (LVIDd) or inflammation influence of these parameters on gene expression should be clarified. Whereas a low number of correlations were found for body mass index (BMI), age and disease duration, an accumulation of correlating gene expression were established for left ventricular ejection fraction (LVEF) and left ventricular internal diameter at diastole (LVIDd). Expression of genes encoding regulators with myocardial function (ADRA1A, ADRB2, PLNB, RYR2) showed correlations to LVEF as well as LVIDd (p<0.05). Moreover, gene expression profiles of patients with positive outcome after IA/IgG therapy (responder) and patients without any improvement in heart-function (non-responder) were investigated. Comparison of responders before and 6 months after IA/IgG revealed 171 significant differentially expressed genes. Affected genes in the subgroup of non-responders after therapy revealed a lower number of differentially expressed genes (72). Genes which were affected in responders by therapy as well associated to disease could hardly be observed. The observed therapeutic effects on gene expression level probably arise from secondary mechanisms. Beside a lower expression of ACE2 in responders after IA/IgG also a decrease in fibrosis associated genes as CTGF (Connective tissue growth factor), Fibronectin and Collagen 1A2 was observed. Moreover, in responders a significant decrease in LVIDd was monitored which was not detected in non-responders. In contrast, in non-responders after IA/IgG therapy a reduced gene expression for a couple of complement factors was noticed. Furthermore, the analysis of gene expression changes of immunoadsorbed DCM patients which correlate to the change of parameters was another purpose of this present work. Moreover, a predictive molecular signature should be identified to allow differentiation of patients before therapy in reference of their outcome and minimization of ineffective therapy treatment. With application of re-sampling (cross validation) and support vector machine (SVM) a signature of 25 genes was identified, which allowed classification of subgroups with an error rate of 3.7%. The signature presents the first step for prediction of DCM patients. Further development shall enable estimation of therapy outcome of DCM patients without using DNA arrays. In this work pronounced differential gene expression in DCM patients reflected the dynamic of the disease in dependency of different myocardial parameters. A multiplicity of genes of different categories is influenced by IA/IgG therapy in DCM patients. Correlation analyses displayed the connection (interrelationship) between gene expression changes and changes of parameters as LVEF, LVIDd, and inflammation. Differences concerning clinical parameters (LVIDd, disease duration) were observed by definition of patients which benefit from IA/IgG therapy and contribute to a better understanding of demonstrated differences in gene expression. The data generated in context of this work provides, besides a better understanding of processes in the myocardium, a lot of new starting points for further analyses e.g. the relevance of IGF-1 signaling or the role of the protein ubiquitin system in development of DCM, which may also contribute to new therapy approaches.

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Metadaten
Author: Sabine Ameling
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000761-4
Title Additional (English):Transcriptome analysis of myocardial diseases characterization of disease and therapy-associated gene expression changes in patients suffering from dilated cardiomyopathy
Advisor:Prof. Dr. Uwe Völker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2010/02/24
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/12/21
Release Date:2010/02/24
Tag:dilated cardiomyopathy, gene expression, immunoadsorption
GND Keyword:Differentielle Genexpression, Herzmuskelkrankheit, Immunadsorption, Kongestive Herzmuskelkrankheit, Microarray
Faculties:Universitätsmedizin / Arbeitsgruppe "Funktionelle Genomforschung"
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie