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Die dilatative Kardiomyopathie (DCM) ist eine Herzmuskelerkrankung, die durch eine Einschränkung der kardialen Funktion bei gleichzeitiger Erweiterung eines (zumeist des linken) oder beider Ventrikel charakterisiert ist. Der Krankheit können verschiedene Ursachen zugrunde liegen. Störungen in der humoralen Immunität, mit der Bildung von Autoantikörpern, stehen im Zusammenhang mit der Entwicklung der DCM. Es konnten bereits verschiedenste kardiale Autoantikörper im Plasma von DCM Patienten nachgewiesen werden. Diese Autoantikörper können mit ihrem Fab-Teil an das Antigen binden und gleichzeitig, so wird angenommen, mit ihrem Fc-Teil den FcγRII, dessen Expression auf Rattenkardiomyozyten gezeigt wurde, quervernetzen, wodurch es zur Induktion eines negativ inotropen Effektes kommt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Interaktion von FcγRII-Antikörpern mit Rattenkardiomyozyten untersucht und wie sich diese auf die mechano-dynamischen Eigenschaften der Zellen auswirkt. Im ersten Schritt wurde mit Hilfe der Quarz-Kristall-Mikrowaage mit Dissipationsaufzeichnung (QCM-D) untersucht, ob anti-FcγRII-Antikörper an isolierte Kardiomyozyten von Ratten binden. Zunächst wurden Bindungsstudien mit dem zu untersuchenden anti-FcγRII-Antikörper und transfizierten humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt, die den FcγRII in hoher Zelldichte auf der Zelloberfläche exprimieren. Nach erfolgreicher Etablierung des Assays konnte im Anschluss gezeigt werden, dass die anti-FcγRII-Antikörper auch an Rattenkardiomyozyten binden. Dies weist darauf hin, dass Kardiomyozyten möglicherweise den FcγRII auf ihrer Zelloberfläche exprimieren, wie bereits 2007 von Staudt et al. beschrieben wurde. In einem zweiten Ansatz, wurde die Mechanodynamik (Steifheit und Schlagfrequenz) von Kardiomyozyten in Gegenwart von anti-FcγRII-Antikörpern mittels des Rasterkraftmikroskops (AFM) untersucht. Die Inkubation von Rattenkardiomyozyten mit anti-FcγRII-Antikörpern führte zu einer signifikanten Versteifung der Zellen. Zudem zeigte sich, dass die anti-FcγRII-Antikörper nach der Blockierung der spezifischen Bindung an Kardiomyozyten durch Kontroll-IgG keinen Einfluss mehr auf die Zellversteifung haben. Eine biologisch relevante Änderung in der Schlagfrequenz konnte jedoch nach Inkubation der Kardiomyozyten mit den anti-FcγRII-Antikörpern nicht nachgewiesen werden. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals mittels QCM-D nachgewiesen werden, dass anti-FcγRII-Antikörper möglicherweise über eigenständige Rezeptoren an Kardiomyozyten binden. Die Bindung dieser Antikörper führt zu einer Zunahme der Zellsteifigkeit isolierter Kardiomyozyten. Dieser Befund könnte auf einen neuen pathophysiologisch relevanten Wirkungsmechanismus kardialer Autoantikörper hinweisen, der für die Pathogenese der DCM von Bedeutung ist.
Abstract
Differentiation of cardiac progenitor cells (CPC) into cardiomyocytes is a fundamental step in cardiogenesis, which is marked by changes in gene expression responsible for remodeling of the cytoskeleton and in altering the mechanical properties of cells. Here we have induced the differentiation of CPC derived from human pluripotent stem cells into immature cardiomyocytes (iCM) which we compare with more differentiated cardiomyocytes (mCM). Using atomic force microscopy and real‐time deformability cytometry, we describe the mechanodynamic changes that occur during the differentiation process and link our findings to protein expression data of cytoskeletal proteins. Increased levels of cardiac‐specific markers as well as evolution of cytoskeletal morphology and contractility parameters correlated with the expected extent of cell differentiation that was accompanied by hypertrophic growth of cells. These changes were associated with switching in the balance of the different actin isoforms where β‐actin is predominantly found in CPC, smooth muscle α‐actin is dominant in iCM cells and sarcomeric α‐actin is found in significantly higher levels in mCM. We link these cytoskeletal changes to differences in mechano‐dynamic behavior of cells that translate to changes in Young's modulus that depend on the cell adherence. Our results demonstrate that the intracellular balance of actin isoform expression can be used as a sensitive ruler to determine the stage of differentiation during early phases of cardiomyocyte differentiation that correlates with an increased expression of sarcomeric proteins and is accompanied by changes in cellular elasticity.