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Die chronische Herzinsuffizienz (HI) bezeichnet das Unvermögen des Herzens, die vom Körper benötigte Blutmenge bedarfsgerecht zu befördern und stellt in der Allgemeinbevölkerung das Endstadium vieler Herzerkrankungen dar. Trotz großer Fortschritte in der medikamentösen Therapie ist die Prognose der HI auch heute noch schlecht. Der progrediente Verlauf erstreckt sich von einer kompensierten Herzhypertrophie mit aufrechterhaltener Pumpfunktion bis hin zu einer massiven Ventrikeldilatation mit stark eingeschränkter Herzfunktion und weist dementsprechend eine schlechte Prognose auf. Die zellulären Veränderungen auf Protein- und Genexpressionsebene während der Progression einer HI sind sehr komplex und trotz ausgiebiger wissenschaftlicher Arbeiten nicht ausreichend geklärt. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, in welcher Phase der Erkrankung spezifische Änderungen in der Genregulation entstehen und inwiefern sich diese auf den Phänotyp auswirken. Auf Grund dessen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit den zeitabhängigen Veränderungen auf mRNA-und Proteinebene während der Progression der HI. Um alle Stadien beginnend von einer subklinischen Organschädigung bis hin zur Ausbildung einer HI experimentell untersuchen zu können, wurde zunächst ein Mausmodell etabliert, welches durch eine chronische Nachlasterhöhung mittels Einengung des Aortenlumens eine Myokardschädigung durch eine arterielle Hypertonie simuliert (transverse aortic constriction, TAC). Die Herzfunktion der Mäuse wurde an den postoperativen Tagen 4, 14, 21, 28, 42, und 56 durch Messungen im Kleintier-MRT (Magnetresonanztomografie) evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die linksventrikuläre Ejektionsfraktion (LVEF) TAC-operierter Mäuse vom postoperativen Tag 4 zu 14 verschlechtert, bis Tag 42 auf einem konstanten Niveau hält und bis Tag 56 nochmals stark absinkt. Im Gegensatz dazu zeigten Sham-operierte Mäuse über den gesamten Zeitraum eine stabile LVEF. Ein vergleichbarer stufenartiger Verlauf konnte bei den Parametern der linksventrikulären Masse und den endsystolischen bzw. enddiastolischen Volumina beobachtet werden. Zusätzlich konnte durch histologische Untersuchungen zu den verschiedenen postoperativen Zeitpunkten eine verstärkte Fibrosierung des Herzgewebes nach der TAC-OP aufgezeigt werden. Für die longitudinalen Transkriptom- und Proteomuntersuchungen wurden die Herzen (jeweils linke und rechte Ventrikel) nach den MRT-Messungen entnommen, gruppen- und zeitpunktspezifisch gepoolt und einer Microarray- bzw. massenspektrometrischen Analyse unterzogen. Auf Transkriptomebene zeigten sich vor allem an den Tagen 4 und 56 starke TAC-induzierte Veränderungen im Expressionsmuster, wohingegen der Zeitraum zwischen 14 und 42 Tagen weniger differenziell exprimierte Gene aufwies. Der Verlauf der Erkrankung konnte anhand bereits bekannter Hypertrophie- und HI-marker sehr gut charakterisiert werden. So zeigten Nppa (ANP) und Nppb (BNP) im linken Ventrikel bereits kurz nach Aortenstenose stark erhöhte Expressionslevel, die über die gesamte Versuchsdauer erhalten blieben. Weiterhin wurde die Expression von Genen reguliert, die an kardialen Remodelingprozessen maßgeblich beteiligt sind, wie beispielsweise Acta1 (a-Aktin), Myh7 (b-Myosin Heavy Chain) und Postn (Periostin). Im Vergleich beider Ventrikel zeigte der rechte Ventrikel bezüglich der Anzahl der regulierten Gene als auch bei der Expression HI-assoziierter Gene eine verzögerte und weniger stark ausgeprägte Reaktion. In den linken Ventrikeln wurden vor allem die Gene reguliert, deren Genprodukte der extrazelluären Matrix angehören. Eine Validierung der Microarray-Ergebnisse mittels realtime-PCR konnte die Richtigkeit der Analysemethode sehr präzise bestätigen. Da diese anhand ausgewählter Gene auf Einzeltierebene durchgeführt wurde, konnte zusätzlich auf Korrelation zwischen mRNA-Expression und den kardialen Funktionsparametern getestet werden. Wie erwartet spiegelten die Epressionslevel der HI-assozierten Markergene Nppa (ANP), Nppb (BNP) und Myh7 (b-Myosin Heavy Chain) die progressive Verschlechterung der Herzfunktion wider. Zusätzlich konnten durch die Validierung und Korrelationsanalysen weitere interessante Kandidatengene, wie beispielsweise Sfrp2 (Secreted frizzled-related protein 2) und Wisp2 (WNT1-inducible signaling pathway protein 2) für weiterführende Studien identifiziert werden. Auch auf Proteomebene konnten vergleichbare Ergebnisse erzielt werden. Auch hier zeigte der linke Ventrikel eine deutlich ausgeprägtere Reaktion auf die Drucküberlastung, der rechte Ventrikel antwortete deutlich schwächer und verzögert. Änderungen im Proteinmuster nach TAC waren in den linken Ventrikeln vor allem an den Tagen 14, 21 und 28 stark ausgeprägt. Ingenuity Pathway Analysen der veränderten Proteine weisen auf Veränderungen im Kalzium-, Rho A- und PKA-Signaling vor allem zu den frühen Zeitpunkten hin, wohingegen zu späteren Zeitpunkten hauptsächlich metabolische Prozesse betroffen waren.
Heart Failure is currently the most common cardiac disorder and a major public health concern worldwide. The adult mammalian heart harbors a subpopulation of cardiac progenitor cells (CPC) that are capable of improving cardiac function. The scope of this study was to delineate the molecular phenotype of a subpopulation of CPCs characterized by the expression of the stem cells antigen-1 surface marker (Sca-1+) and to further identify molecular alterations occurring under heart failure conditions. In order to understand the underlying cellular mechanisms an integrated approach of proteomics and transcriptomics-based techniques were employed. The first step towards achieving this goal was to unravel the native Sca-1+ cell characteristics of freshly isolated progenitor cells derived from healthy adult murine hearts. The proteome map of Sca-1 cells was established using a gel-based mass-spectrometry (gel LC-MS/MS) approach. For better interpretation, a comparison with the protein profiles of cardiomyocytes and Sca-1- cells obtained under similar experimental conditions was performed. All three cell-types were morphologically different in size and structure, which was also evident from their protein expression profiles. We observed that Sca-1+ cells lack endothelial-like and cardiac contractile phenotypes, unlike Sca-1- cells and cardiomyocytes, respectively. Functional assessment of both protein and gene expression profiles revealed a possible role of Sca-1+ cells in cell adhesion, migration, and proliferation. CPC remain in a dormant state under physiological condition unless challenged by myocardial injury. Previous studies revealed that resident Sca-1+ cells home to the injured myocardium but not to the healthy heart and further differentiate into functional cardiomyocytes. We investigated the molecular background of this behavior of adult Sca-1+ cells under heart failure condition which might provide a better insight into their cardiogenic potential in a pathological milieu. The double transgenic α-myosin heavy chain (MHC)-cyclin T1/Gαq overexpressing mouse was chosen as a model for heart failure. Using the comparative gene expression profiling we could detect the differential regulation of 197 genes with at least a 2-fold difference. Among these BDNF mRNA levels were 5-fold higher in the Sca-1+ cells derived from transgenic mice (Cyc+) in comparison to that of wild-type controls (Wt+). This difference was also observed at protein level. The substantially higher expression of BDNF during heart failure prompted us to investigate its regulatory effect on Sca1+ cells. In this current study we were able to show that small amounts of exogenous BDNF stimulated the migratory potential of Cyc+ cells. This effect was not seen in treated Wt+ cells. Furthermore, pulsed SILAC was employed to monitor BDNF mediated changes following treatment. After BDNF treatment, 58 proteins were differentially regulated of which proteins related to cell proliferation were reduced in level in Cyc+ cells while they displayed increased levels in Wt+ cells. Findings from bromodeoxyuridine (BrdU) assays and immunoblotting indicated that BDNF might initiate a differentiation program by repressing cell proliferation in Cyc+ cells. Taken together, it could be shown that the BDNF effect on protein synthesis of Cyc+ and Wt+ cells varied considerably, suggesting an improvement of the cardiogenic potential of Sca-1+ cells under pathological conditions. Aldosterone levels are known to be elevated during heart failure. In this part of study it was hypothesized that endocrine factors associated with heart failure might influence the migration of CPC, thereby possibly restoring the cardiac function of diseased hearts. It could be shown that high concentrations of aldosterone, similar to those found in the plasma of heart failure patients, induced the migration of Sca-1+ cells by up to 60% when compared to control, while physiological levels had no significant influence. In addition, it could be demonstrated that the aldosterone stimulus led to the activation of the mineralocorticoid receptor (MR) expressed on Sca1+ cells, which in turn facilitated migration. This was supported by application of MR antagonist eplerenone, which significantly reduced the aldosterone-induced increase in cell migration while a glucocorticoid antagonist exhibited no inhibitory effect. Hence, the results support the potential role of aldosterone in the mobilization of CPC. It is currently believed that the beneficial effects of cell-based therapies on cardiac repair are imparted to a large degree via paracrine mechanisms. We therefore focused on understanding the influence of pathophysiological levels of aldosterone on the extracellular environment of Sca-1+ cells. MS-based secretome profiling of cells treated for 24h with aldosterone treatment revealed higher levels of proteins associated with extracellular matrix remodeling and IGF signaling. Additionally, galectin-1 and gelsolin were significantly increased in level under pathological conditions indicating a possible paracrine tissue repair of Sca-1+ cells. To conclude, the global proteome and transcriptome profiles generated here revealed the molecular phenotype of Sca-1+ cells which may be used for future reference. The comparative microarray study provided deeper insight into the endogenous changes in mRNA expression during heart failure and delineated the cardiogenic characteristics of Sca-1+ cells. Moreover, the data presented here shed new light on the potential role of BDNF in regulating the mobilization and proliferation of CPCs. Our study on the influence of aldosterone on the migration and the extracellular proteome of CPCs provided new insights on the beneficial effects of this mineralocorticoid on cardiac cells.