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Einfluss der Interleukin-6 Inhibition auf die kardiale Funktion transgener herzinsuffizienter Mäuse
(2022)
Die chronische HI ist eine der häufigsten Todesursachen in Deutschland. Aufgrund der hohen Behandlungskosten stellt sie ein wachsendes sozio-ökonomisches Problem unserer Gesellschaft dar. Trotz einer etablierten und prognostisch wirksamen Standardtherapie, bleibt die HI eine progrediente Erkrankung. Dies suggeriert, dass zentrale pathogenetische Mechanismen durch die aktuelle konventionelle Therapie nicht berücksichtigt werden. Hierzu gehört ein dysreguliertes, chronisch aktives Inflammationsgeschehen. Pro-inflammatorischen Zytokinen im Allgemeinen und IL-6 im Speziellen werden eine zentrale Rolle in der Induktion von kardiomyozytärer Apoptose, kardiodepressivem Remodeling und ventrikulärer Dysfunktion zugeschrieben. Seit Formulierung der Zytokinhypothese im Jahr 1994 stehen anti-inflammatorische Therapieansätze daher im Mittelpunkt vieler Untersuchungen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde analysiert, wie sich die Gabe des IL-6 Rezeptorblockers MR16-1 auf die Progression der HI bei transgenen herzinsuffizienten Mäusen auswirkt. Da IL-6 als pleiotropes Zytokin Funktionen im Gesamtorganismus ausübt und ihm darüber hinaus auch kardioprotektive Effekte zugeschrieben werden, wurden in einem zweiten Versuchsansatz die Effekte einer indirekten IL-6 Inhibition mittels neutralisierender anti-IL-17A Antikörper untersucht. Basierend auf den erhobenen Daten sollte evaluiert werden, welcher Ansatz bessere Ergebnisse erzielt.
Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurde das transgene Herzinsuffizienzmodell Cyclin T1/Gαq genutzt. Im Alter von 6 Wochen wurde die Herzfunktion der Mäuse mit Hilfe eines Kleintier-MRT in vivo evaluiert (Baseline-Messung). Im Anschluss an die Untersuchung erhielten die Mäuse entsprechend ihrer Gruppenzugehörigkeit eine intraperitoneale Injektion der Antikörper bzw. Kontrollsubstanzen. Die abschließende MRT-gestützte Verlaufsuntersuchung fand am 7. Tag nach der Baseline-Messung statt. Sie sollte Funktions- und Struktur-bezogene Änderungen des Herzens über den Untersuchungszeitraum aufzeigen. Nach Beendigung der Abschlussmessung wurden das Herz und Blut entnommen, um laborchemische Analysen durchzuführen. In diesen wurden mittels PCR, ELISA, LUMINEX, Western Blot sowie immunhistochemischer und histologischer Verfahren inflammatorische Zytokine, Remodeling-Prozesse, Herzinsuffizienzmarker und IL-6-assoziierte Signaltransduktionswege im Blutplasma und Herzgewebe untersucht.
Die MRT-gestützten in vivo Untersuchungen ergaben, dass die Behandlung mit MR16-1 zu einer signifikant geringeren Verschlechterung der LVEF und des LVFS über die Zeit sowie einer deutlichen Zunahme des LVSV im Vergleich zur NaCl-Gabe führt. Die PCR-Analysen demonstrierten darüber hinaus eine signifikant niedrigere Kollagenexpression. Anhand der ELISA- und LUMINEX-Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass es durch die Behandlung mit dem IL-6 Rezeptorblocker zu einer signifikanten Senkung von NT-proBNP und einer Steigerung der Gal-1-Plasmakonzentration verglichen mit einer NaCl-Injektion kommt. Darüber hinaus konnten die mRNA-Expression und Konzentration einer Vielzahl pro-inflammatorischer Zytokine gesenkt werden. Kardioprotektive IL-6-assoziierte Signalwege wurden dabei nicht negativ beeinflusst. Da auch die IgG-Isotypkontrollen einige Parameter signifikant beeinflussten, ist die Spezifität dieser Effekte jedoch nicht sicher belegt. Um den Einfluss der neutralisierenden anti-IL-17A Antikörper und der Immunglobuline besser einordnen zu können, sind weitere Untersuchungen notwendig.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die direkte IL-6 Rezeptorblockade einen positiven Effekt auf den Krankheitsverlauf transgener herzinsuffizienter Mäuse hat. Inwiefern andere Mitglieder der IL-6-Typ Zytokinfamilie und unspezifische IgG-Effekte dabei eine Rolle spielen und ob sich diese Effekte auch langfristig bestätigen lassen, sodass sich eine Mortalitätsreduktion erzielen lässt, muss mittels weiterer Untersuchungen geklärt werden.
Kardiovaskuläre Erkrankungen gehören trotz zahlreicher medikamentöser und apparativer Therapiemaßnahmen noch immer zu den häufigsten Todesursachen in den Industrienationen. Die Herzinsuffizienz (HI) stellt dabei das Endstadium vieler Herzerkrankungen dar und beschreibt das Unvermögen des Herzens, die Blutzirkulation im Organismus bei normalem Ventrikeldruck konstant zu halten. Unabhängig von ihrer Ätiologie, wie Koronarerkrankungen, langjähriger Hypertonie oder auch Kardiomyopathien ist die HI neben der Funktionsreduktion des linken und/oder rechten Ventrikels gleichzeitig durch strukturelle Veränderungen (Remodeling) mit Gefäßverengung (Vasokonstriktion), endotheliale Dysfunktion mit Vasokonstriktion, sowie eine generalisierte neurohumorale Aktivierung gekennzeichnet. Die Suche nach neuen und alternativen Therapieverfahren zur Verbesserung der Symptomatik und Prognose der betroffenen Patienten ist daher notwendig. Einer der wichtigsten Mediatoren für die Regulation des Gefäßwiderstandes ist Stickstoffmonoxid (NO, nitric oxide), welches durch NO-Synthasen synthetisiert wird. NO aktiviert die lösliche Guanylatzyklase (sGC, soluble guanylate cyclase), wodurch es zu einer erhöhten Produktion des second messengers cGMP (cyclic guanosine monophosphate) kommt. Eine Beeinträchtigung des NO-sGC-cGMP-Signalweges und der dadurch bedingte Mangel an cGMP trägt zu den Prozessen der myokardialen und endothelialen Dysfunktion bei der Entwicklung und Progression einer HI bei. Die Entwicklung pharmakologisch aktiver Moleküle, die die sGC direkt stimulieren können, ist dabei von besonderem Interesse, da z.B. keine Toleranzentwicklung bei längerer Medikation oder andere negative Nebenwirkungen wie bei der Gabe von NO-Donatoren als Vasodilatatoren entstehen.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Einfluss einer sGC-Stimulation mittels Riociguat (RIO), einem bereits für die Behandlung der pulmonal arteriellen Hypertonie (PAH) und der chronisch thromboembolischen pulmonalen Hypertonie (CTEPH) zugelassenen Medikament, auf die experimentelle HI untersucht werden. Neben Echokardiographie und histologischen Analysen zur Charakterisierung des Krankheitsphänotyps und der Auswirkung einer Behandlung darauf wurde ebenfalls auf Multi-Omics-Ansätze wie Proteomics und Transcriptomics zurückgegriffen, um detaillierte Einblicke in die molekularen Veränderungen auf Genexpressionsebene, Proteinebene und microRNA-Expressionsebene zu erlangen. Als Modell wurde die transverse Aortenkonstriktion (TAC) an C57BL/6N Mäusen verwendet, welche einen permanenten hämodynamischen Stressreiz auf das Herz ausübt, der schließlich zum Herzversagen führt. Im Hinblick auf die Pathogenese der HI simuliert TAC dabei auf elegante Weise eine arterielle Hypertonie, die unter anderem zu einer progressiven linksventrikulären Hypertrophie und einer reduzierten Herzfunktion unter chronischen Bedingungen führt. Für die medikamentöse Behandlung mit RIO wurde eine experimentelle Strategie gewählt, die der klinischen Situation entspricht. Dementsprechend wurde mit der Medikation zu einem Zeitpunkt begonnen, als die Herzfunktion bereits verschlechtert war und eine pathologische Hypertrophie und interstitielle Fibrose ausgebildet bzw. nachweisbar war.
TAC führte zu einer kontinuierlichen Abnahme der linksventrikulären Ejektionsfraktionsfraktion (LVEF) und einer kontinuierlichen Zunahme der linksventrikulären Masse (LVM). Eine fünfwöchige Behandlung mit RIO (3 mg/kg/d) ab der vierten postoperativen Woche führte zu einer Verbesserung der LVEF und zu einer Verringerung des Verhältnisses von LVM zu Gesamtkörpergewicht (LVM/BW), myokardialer Fibrose und Myozytenquerschnittsflächen. RNA-Sequenzierungsanalysen der linken Ventrikel ergaben, dass RIO die Expression von myokardialen Stress- und Remodeling-Genen, wie z.B. Nppa, Nppb, Myh7 und Kollagen, verringerte und die Aktivierung biologischer Signalwege abschwächte, die mit kardialer Hypertrophie und HI in Verbindung stehen. Diese protektiven Effekte einer RIO-Behandlung konnten auch auf Proteinebene beobachtet werden und spiegelten sich in einer deutlichen Reduktion der TAC-induzierten Veränderungen des linksventrikulären Proteoms wider. Durch die Aortenkonstriktion betroffene Signalwege, die mit kardiovaskulären Erkrankungen assoziiert sind, wie gewebe- und zellstrukturspezifische Signalwege, besonders aber Signalwege des Energiemetabolismus, zeigten eine Verbesserung nach einer RIO-Behandlung. Zudem schwächte RIO auch die TAC-induzierten Veränderungen auf microRNA-Ebene in den linken Ventrikeln ab.
Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Behandlung mit RIO positive Auswirkungen auf die kardiale Struktur bzw. das pathologische kardiale Remodeling und die Funktion in einem murinen Modell der chronischen Nachlasterhöhung/Drucküberlastung hat, was mit einer Umkehrung bzw. Abschwächung der TAC-induzierten Veränderungen des kardialen linksventrikulären Genexpressions-, Proteom- und microRNA-Profils einhergeht. Die vorliegenden Ergebnisse unterstützen die bisherigen Vermutungen und Erkenntnisse zum Potential von RIO als neuartigem HI-Therapeutikum. Des Weiteren wurden große Omics-Datensätze generiert, die als Informationsquelle zukünftigen Untersuchungen helfen können, die molekularen Mechanismen der chronischen HI und möglicher therapeutischer, medikamentöser Interventionen besser zu verstehen und weiter zu entschlüsseln.