Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2001.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2009.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2009.

Zugl.: Hannover, Tierärztliche Hochsch., Diss., 2009

Patienten mit fortgeschrittenem Morbus Fabry neigen zu einer Vielzahl an kardiologischen Symptomen, u.A. Herzrhythmusstörungen. Diese sind prognostisch natürlich relevant. Um diese detektieren zu können, erhielten unsere Patienten implantierbare Loop-Recorder. Schon in der ersten Studie konnten so einige signifikante Herzrhythmusereignisse diagnostiziert und eine klinische Konsequenz daraus gezogen werden. Diese Studie stellt nun ein 2-Jahres-Follow-Up zur ersten Studie dar. / Patients with anderson-fabry disease show a variety of cardiac symptoms including arrhythmias, which are crucially relevant in terms of prognosis. In order to detect those, we used implantable loop recorders. Some cardiac events could already be detected in the first study, each of which had a certain clinical consequence. This study now aims to do a 2 year follow-up.

Hereditäre Kardiomyopathien sind durch klinische und genetische Heterogenität gekennzeichnet, welche die Kardiogenetik vor Herausforderungen stellt. In dieser Arbeit wurden manche dieser Herausforderungen angegangen, indem anhand einer Kohorte von 61 Patienten mit Kardiomyopathie bzw. primärer Arrhythmie eine Exom-Diagnostik mit anschließender stufenweiser Datenanalyse vorgenommen wurde. Ein Ziel der Arbeit war, die aktuellen diagnostischen Detektionsraten zu prüfen sowie zu bewerten, ob eine erweiterte Exom-Diagnostik im Vergleich zur üblichen Genpanel-Analyse einen diagnostischen Zugewinn bringt. Zudem sollten potenzielle Krankheitsgene sowie komplexe Genotypen identifiziert werden. Die Ergebnisse zeigten, dass bei insgesamt 64% der Patienten eine Variante von Interesse gefunden wurde. Hervorzuheben ist die hohe Detektionsrate in der größten Subkohorte, die aus Patienten mit dilatativer bzw. linksventrikulärer Non-Compaction Kardiomyopathie bestand: 69% und damit höher im Vergleich zur in der Literatur berichteten Detektionsrate von bis zu 50%. Im Rahmen der stufenweisen Daten-Auswertung zeigte sich zwar, dass die meisten kausalen Varianten in den phänotypspezifischen Panels zu finden waren, die Analyse eines erweiterten Panels mit 79 Genen sowie der Gesamtexom-Daten aber zu einer zusätzlichen Aufklärungsquote von 13% bzw. 5% führte. Durch die Erweiterung der Diagnostik konnten interessante, teilweise neue Assoziationen zwischen Genotyp und Phänotyp sowie neue Kandidatengene identifiziert werden. Das beste Beispiel dafür ist eine trunkierende Variante im STK38-Gen, das an der Phosphorylierung eines Regulators der Expression kardialer Gene beteiligt ist. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Detektionsrate von Genpanels für die Routine-Diagnostik akzeptabel ist, die Anwendung von Exom-Diagnostik einen diagnostischen Zugewinn, die Entdeckung von interessanten Genotyp-Phänotyp-Korrelationen sowie die Identifizierung von Kandidatengenen ermöglicht. / Hereditary cardiomyopathies are characterized by clinical and genetic heterogeneity, which poses challenges to genetic diagnostics in cardiogenetics. In this study, some of these challenges were addressed on the basis of the genetic analysis of 61 cardiomyopathy and arrhythmia patients using exome sequencing with subsequent stepwise analysis of the genetic data. One objective of the study was to examine the current diagnostic yield of genetic analysis as well as to assess the diagnostic benefit of an extended exome analysis vs. targeted gene panel analysis. Another aim was to identify novel candidate genes and describe new genotype-phenotype correlations. Regarding the results, a variant of interest could be detected in 64% of the patients. Of note is the high detection rate in the main subcohort of patients with dilated cardiomyopathy and/or left ventricular noncompaction cardiomyopathy: 69% vs. the reported detection rate of max. 50% in the literature. To evaluate the additional diagnostic benefit of extensive exome testing, a stepwise analysis of the exome data was performed. It was shown here that most of the variants of interest were detected in the phenotype-specific core gene panels; however, the analysis of an extended gene set with 79 genes and subsequently of the complete exome data led to an additional diagnostic yield of 13% and 5% respectively. Through the expansion of the genetic analysis, interesting or new genotype-phenotype correlations could be documented and candidate genes could be identified. The best candidate was a truncating variant in STK38, a gene coding for a kinase that phosphorylates a transcription regulator of genes encoding for cardiac sarcomere proteins. In conclusion, although the detection rate of gene panels is acceptable for the clinical routine, the use of exome analysis enables the highest possible diagnostic yield, the detection of interesting genotype-phenotype correlations as well as the identification of new candidate genes.

Die arrhythmogene Kardiomyopathie (ACM) ist eine Herzmuskelerkrankung, die durch den fett- und bindegewebigen Umbau von Herzmuskelgewebe charakterisiert ist. Klinisch treten häufig ventrikuläre Herzrhythmusstörungen auf, teilweise bis hin zum plötzlichen Herztod. ACM ist eine genetisch bedingte Erkrankung, die durch Mutationen in desmosomalen Proteinen, wie Plakophilin-2 (PKP2) und Desmoglein-2 (DSG2), entsteht. Die molekularen Mechanismen sind nur teilweise verstanden und aktuell gibt es keine spezifischen Therapiemöglichkeiten. Ziel der Arbeit war es, die therapeutische Wirkung eines DSG2-spezifischen Tandem-Peptids (TP) durch desmosomale Stabilisierung an humanen Kardiomyozyten (KM) in einem ACM-Modell zu untersuchen. KM wurden aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS) einer PKP2-Knockout- (PKP2-KO), DSG2-Knockout- (DSG2-KO) und deren isogener Kontrollzelllinie differenziert. Zunächst wurden verschiedene Methoden der beschleunigten Zellreifung getestet. Dann wurden die PKP2- und DSG2-KO-KM anhand von intrazellulären Kalzium-Messungen und Arrhythmie-Analysen phänotypisch charakterisiert. Letztlich wurde die Wirkung des TPs, das an die DSG2 der geschwächten Zellbindungen von PKP2-KO-KM binden sollte, im Vergleich zu entsprechenden Kontrollen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Matrigel-Mattress-Kultivierung und einer Hormonbehandlung elektrisch stimulierbare hiPS-KM mit reifen Eigenschaften hergestellt werden konnten. Der Phänotyp der mutationstragenden PKP2-KO-KM und DSG2-KO-KM zeichnete sich durch erhöhte diastolische Kalzium-Konzentrationen und erniedrigte Kalzium-Amplituden sowie durch beschleunigte Kalzium-Kinetik im Sinne der Relaxationszeiten aus. Weiterhin war bei den PKP2-KO-KM die Häufigkeit der Arrhythmien erhöht, die unter beta-adrenerger Stimulation nachließen. Insgesamt konnte keine eindeutige Wirkung des TPs im ACM-Modell gezeigt werden. Das TP hatte nur auf die diastolischen Kalzium-Konzentrationen der PKP2-KO-KM einen therapeutischen Einfluss, allerdings auch auf DSG2-KO-KM, weshalb der Hinweis auf eine fehlende DSG2-Spezifität des TPs entstand. Schlussfolgernd wurde bestätigt, dass sich reife hiPS-KM mit genetischen Veränderungen als Modell zur Untersuchung der Kalziumhomöostase und von Arrhythmien bei der ACM eignen. Sie können grundsätzlich zum Test von therapeutischen Anwendungen genutzt werden. Die Wirksamkeit und Spezifität des getesteten TPs sollte zukünftig weiter überprüft werden. / Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is a myocardial disease characterized by fibrofatty remodeling of myocardial tissue. Clinically, ventricular arrhythmias occur, sometimes leading to sudden cardiac death. ACM is a genetic disease that results from desmosomal mutations, such as plakophilin-2 (PKP2) and desmoglein-2 (DSG2). The molecular mechanisms are only partially understood and currently there are no specific therapeutic options. The aim of this work was to investigate the therapeutic effect of a DSG2-specific tandem peptide (TP) by desmosomal stabilization on human cardiomyocytes (CMs) in an ACM model. CMs were differentiated from human induced pluripotent stem cells (hiPSC) of a PKP2 knockout (PKP2-KO), DSG2 knockout (DSG2-KO) and their isogenic control cell line. First, methods of accelerated cell maturation were tested. Then, PKP2- and DSG2-KO-CMs were phenotypically characterized by using intracellular calcium measurements and arrhythmia analyses. Finally, the effect of a TP designed to bind to DSG2 of the weakened cell binding of PKP2-KO-CMs was examined in comparison with corresponding controls. The results show that matrigel mattress cultivation and hormone treatment were able to produce electrically stimulable hiPSC-CMs with mature characteristics. The phenotype of mutant PKP2-KO-CMs and DSG2-KO-CMs was characterized by increased diastolic calcium concentrations and decreased calcium amplitudes, as well as accelerated calcium kinetics in terms of relaxation times. Furthermore, the frequency of arrhythmias was increased in PKP2-KO-CMs and decreased under beta-adrenergic stimulation. Overall, no clear effect of TP was demonstrated in the ACM model. TP only had a therapeutic effect on diastolic calcium concentrations of PKP2-KO-CMs, although it also had an effect on DSG2-KO-CMs, thus suggesting a lack of DSG2 specificity of TP. In conclusion, it was confirmed that mature hiPSC-CMs with genetic alterations are suitable as a model to study calcium cycling and arrhythmias in ACM. In principle, they can be used to test therapeutic applications. The efficacy and specificity of the tested TP should be further evaluated in the future.

Kardiovaskuläre Erkrankungen in Deutschland führen die Todesursachenstatistik an (19,1 % 2013) und verursachen die höchsten Krankheitskosten (14,5 % 2008) (Statistisches Bundesamt, 2015a,b). Im Rahmen von ischämischen Ereignissen am Herzen kann es zu Rhythmusstörungen kommen. In der Therapie dieser Störungen werden traditionell klassische Antiarrhythmika mit Wirkort Ionenkanal eingesetzt, welche jedoch stets ein proarrhythmisches Potenzial aufweisen. Im Fokus der Forschung der letzten Jahre stehen deswegen Peptide wie AAP10 (Antiarrhythmisches Peptid 10), welche direkt an den Gap Junctions ansetzen. In Radioligandenbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass Desipramin AAP10 von seinem Rezeptor verdrängen kann. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Desipramin auf die Gap Junction-Leitfähigkeit in adulten humanen atrialen Kardiomyozyten bestimmt (Jozwiak 2012). Die Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgte durch die Technik des Double-Cell-Voltage-Clamp. Es konnte gezeigt werden, dass Desipramin die elektrische Kopplung in humanen Kardiomyozyten, welche vorab durch CO2-induzierte Azidose partiell entkoppelt wurden, erhöht. Weiterhin wurde in der Mapping-Analyse mit dem Langendorff-System gezeigt, dass Desipramin in ischämischen Gebieten am ganzen Kaninchenherzen eine Reduktion der Homogenität und eine Steigerung der Dispersion verhindern kann. In anschließend hergestellten Western Blots aus Gewebeproben derselben Kaninchenherzen ließ sich eine verminderte Dephosphorylierung von Connexin 43 in ischämischen Gebieten unter Desipramin nachweisen. Ebenso vermag Desipramin eine Lateralisierung des Connexin 43 entlang der Zellmembran zu verhindern. Die Ergebnisse zeigen, dass Desipramin die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Herzrhythmusstörungen unter ischämischen Bedingungen signifikant verringern und damit möglicherweise zur Senkung der Morbidität und Mortalität von Herzkreislauferkrankungen beitragen kann.

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Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Entstehungsmechanismen kardialer Arrhythmien auf der Grundlage pathologisch veränderten Myokards. Es wurde eine systematische Analyse der elektrophysiologischen Veränderungen, die als Folge von Gap-Junction- Lateralisierung und zellulärer Hypertrophie auftreten, durchgeführt. Die Analyse beruht auf einem mathematischen Computermodell, das zur Simulation der Aktionspotentialausbreitung innerhalb einer Einzelzellschicht humaner ventrikulärer Kardiomyozyten entwickelt wurde. Ausgehend von bestehenden Einzelzellmodellen wurde ein räumlich und zeitlich hoch aufgelöstes Multizellmodell generiert und in der Programmiersprache Object Pascal implementiert. Nach Validierung des Modells wurde es zur gezielten, an experimentellen Daten orientierten Manipulation geometrischer Eigenschaften der Zellen (Länge, Durchmesser) und des Zellverbandes (Anordnung der Zellen untereinander) sowie der Gap-Junction-Verteilung genutzt. Die Analyse der elektrophysiologischen Effekte im Vergleich zur Kontrolle fand sowohl unter Normalbedingungen als auch unter Bedingungen, die pathologischen Veränderungen entsprechen (Entkopplung der Gap-Junctions, verringerte Aktivität des schnellen Natriumkanals, erhöhte Inhomogenität), statt. Es zeigte sich, dass ein größerer Zelldurchmesser bzw. erhöhte laterale Gap-Junction-Leitfähigkeit (Simulation von kardialer Hypertrophie bzw. Connexin- Lateralisierung) die Entstehungswahrscheinlichkeit eines unidirektionalen Leitungsblocks erhöhte. Die Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit in hypertrophierten Zellen war zudem weniger stabil als in normalen Zellen. Beide Effekte gehören zu den Hauptursachen der Entstehung und Aufrechterhaltung ventrikulärer Arrhythmien. Die Ergebnisse der Arbeit erklären somit Ursachen des erhöhten Arrhythmierisikos in pathologisch veränderten und hypertrophierten Herzen und liefern eine theoretische Grundlage für zukünftige Studien.