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Mechanismen des rezeptorvermittelten Myokardschutzes nach akutem Herzinfarkt: Beteiligung von Adenosin-, delta-Opioidrezeptoren und GSK-3beta

  • Noch immer stellt der akute Myokardinfarkt eine der Haupttodesursachen in den Industrienationen dar. Dabei ist hinlänglich bekannt, dass eine möglichst schnelle Wiederherstellung des koronaren Blutflusses nach einem Koronarverschluss die entscheidende therapeutische Maßnahme ist. Leider führt aber genau diese Maßnahme oftmals selbst zu ausgeprägten Reperfusionsschäden am unterversorgten Myokardgewebe. Mit Entdeckung der ischämischen Postkonditionierung durch kurze Ischämie/ Reperfusionssequenzen nach Wiedereröffnung der betroffenen Koronarie wurde erstmals deutlich, dass eine drastische Senkung der Infarktgröße möglich ist. Da diese Art der Behandlung aber technisch sehr aufwendig ist, besteht vermehrt der Wunsch, pharmakologische Interventionen zu Beginn der Reperfusion mit dem Ziel der Infarktgrößensenkung zu etablieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich daher mit der rezeptorvermittelten Postkonditionierung ischämischer Herzen und der Charakterisierung der zugrunde liegenden Signaltransduktion. Hierfür wurden die Aktivierung von delta-Opioidrezeptoren mittels DADLE und die Stimulation von Adenosinrezeptoren mittels NECA gewählt. Zunächst wurde ein Infarktmodell mit isolierten Kaninchenherzen etabliert, welches sowohl die Untersuchung der Infarktausprägung als auch die Ermittlung der am Myokardschutz beteiligten Signalelemente ermöglichte. Des Weiteren wurde ein Kardiomyozyten-basiertes Zellmodell entwickelt, an dem die oxidativen Bedingungen während der Reperfusion durch Zugabe von Wasserstoffperoxid simuliert werden können. Hierbei führt der Radikalstress durch Öffnung der mPTP zum Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotentials. Mit Hilfe dieses Zellmodells war es möglich, die Beteiligung einzelner Kardiomyozyten am rezeptorvermittelten Zellschutz näher zu charakterisieren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Stimulation von delta-Opioidrezeptoren mittels DADLE während der Reperfusion zu einer deutlichen Senkung der Infarktgröße in isolierten Kaninchenherzen führt. Dabei trat die Signalweiterleitung in Abhängigkeit von membranständigen Matrix-Metalloproteinasen und der Aktivierung des EGF-Rezeptors auf. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die Behandlung mit DADLE eine Phosphorylierung und somit auch Aktivierung der zellschützenden Signalelemente EGFR, Akt und Erk 1/2 stattfindet. Auch die Stimulation von Adenosinrezeptoren (A1 und/oder A2) mittels NECA führte in diesem Infarktmodell zu einer signifikanten Senkung der Infarktgröße. Es konnte sowohl die Infarktgrößensenkung als auch die NECA-vermittelte Phoshorylierung der p70S6-Kinase durch Rapamycin blockiert werden. Des Weiteren konnten Wasserstoffperoxid-behandelte Kardiomyozyten durch NECA über eine deutlich verzögerte Öffnung der mPTP vor einem Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotentials geschützt werden. Auch hier zeigte sich der NECA-vermittelte Zellschutz in Abhängigkeit von einer Aktivierung der p70S6-Kinase. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Rolle der konstitutiv aktiven GSK-3beta (Glykogensynthasekinase-3beta) während der Postkonditionierung ischämischer Herzen. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Inhibition dieser Kinase mittels SB216763 zu einem deutlichen Schutz vor ischämiebedingter Infarzierung führt. Dabei zeigte sich eine Abhängigkeit von der Aktivierung der Signalelemente Src und PI3-Kinase/Akt. Eine Involvierung von Adenosinrezeptoren, der PKC und Erk 1/2 wurde dagegen nicht gefunden. Anhand des Kardiomyozytenmodells konnte die Bedeutung der GSK-3beta bei der Übermittlung des Zellschutzes nochmals bestätigt werden. So führte eine adenovirale Transfektion mit einer dominant negativen GSK-3beta zu einem stabilisierten mitochondrialen Memranpotential, während eine DADLE-vermittelte Protektion durch die Expression einer konstitutiv aktiven GSK-3beta unterdrückt wurde. Zusammengefasst konnte in dieser Arbeit eine mögliche pharmakologische Intervention zur Behandlung des akuten Myokardinfarktes durch Auslösung einer rezeptorvermittelten Myokardprotektion aufgezeigt werden. Ein weiterer möglicher Therapieansatz könnte außerdem die pharmakologische Inhibition der GSK-beta sein.
  • Myocardial infarction is the leading cause of death in the developed countries. Currently, timely tissue reperfusion after ischemia is the only way to stop progressing damage during myocardial ischemia, but on the other hand reperfusion itself has the potential to induce severe and irreversible damage to the myocardium – the reperfusion injury. A powerful intervention to protect the myocardium against infarction is ischemic postconditioning, where short sequences of ischemia and reperfusion are applied at the onset of reperfusion. While such a regimen is difficult to implement in the clinical setting, it is desirable to establish pharmacological interventions at the beginning of reperfusion with the aim of infarct size reduction. The present work examines the role of G-protein coupled delta-opioid and adenosine receptors in mediating cardioprotection and characterizes underlying signal transduction elements. Therefore, a model of myocardial infarction in isolated rabbit hearts and a cellular model using cardiomyocytes, which simulates oxidative stress during reperfusion, were established. In this model, cardiomyocytes are stressed by hydrogen peroxide to open the mitochondrial permeability transition pore (mPTP) which results in a subsequent collapse of the mitochondrial membrane potential and cell death. Here, we could show that activation of delta-opioid receptors with DADLE leads to a significant infarct size reduction at reperfusion in the isolated rabbit hearts. This reduction is dependent on membrane bound matrix-metalloproteinases and the activation of EGF-receptors. Furthermore, DADLE at reperfusion leads to a profound phosphorylation and, thus, activation of EGF-receptors and the pro-survival kinases Akt and ERK 1/2. The same was true for NECA, an adenosine (A1/A2) receptor agonist. NECA protects the rabbit heart from infarction dependent on the activation of p70S6 kinase. NECA also delays hydrogen peroxide induced mPTP formation by delaying the collapse of the mitochondrial membrane potential in isolated cardiomyocytes, an effect that is dependent on p70S6 kinase. A third part of this work examines the role of GSK-3beta (glykogen synthase kinase-3beta) in postconditioning. This kinase is active in resting cells and gets inactivated upon phosphorylation. Thus, an inactivation by SB216763 results in protection from ischemia induced myocardial infarction. In this case, the protection is dependent on the signal elements SRC and PI3 kinase/Akt and independent of adenosine receptors, protein kinase C and ERK 1/2. Furthermore, an adenoviral transfection of isolated cardiomyocytes with a dominant negative GSK-3beta leads to a stabilized mitochondrial membrane potential. DADLE-mediated cardiomyocyte protection is blocked by a constitutive-active GSK-3beta demonstrating GSK-3beta to be involved in receptor mediated signaling. Thus, pharmacological interventions that activate G-protein-coupled opioid and adenosine receptors may function as an adjunct to reperfusion therapy after myocardial infarction. In addition, a direct inactivation of GSK-3beta could be a possible treatment strategy.

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Metadaten
Author: Karina Förster
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000699-8
Title Additional (English):Mechanism of receptor mediated myocardial protection after myocardial infarction: Involvement of adenosine-, delta-oipioid receptors, and GSK-3beta
Advisor:Prof. Dr. Heyo K. Kroemer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/10/29
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/10/14
Release Date:2009/10/29
Tag:Postkonditionierung
ischemia, myocardial infarction, postconditioning, reperfusion
GND Keyword:Adenosin, Glycogen-Synthase-Kinase-3, Herzinfarkt, Ischämie, Opioide, Reperfusion
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Pharmakologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie