Plasmalemmale Kalzium- und Kaliumkanäle sind wichtige Regulatoren der kontraktilen Kraft glatter Gefäßmuskelzellen. Bei Untersuchungen an einer Vielzahl nicht humaner glatter Muskelzellen wurden verschiedene Kalzium- und Kaliumkanaltypen identifiziert. Allerdings ist über das Vorkommen, die biophysikalisch-pharmakologischen Eigenschaften, Regulation, Bedeutung und differentielle Expression von spannungsabhängigen Kalzium- und Kaliumkanälen in humanen arteriellen Gefäßmuskelzellen noch wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden spannungsabhängige Kalzium- und Kaliumkanalströme in frisch-isolierten Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien analysiert. Die wichtigsten Ergebnisse waren: (1) Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien exprimieren funktionell aktive spannungsabhängige L-Typ-Kalziumkanäle. (2) Die hohe Permeationsrate von L-Typ-Kanälen in Lösungen mit physiologischer Ca2+-Konzentration wird durch die (1- Kanaluntereinheit bestimmt. (3) L-Typ-Kanäle der C-Klasse werden durch G-Proteine und Proteinkinase C moduliert. (4) Die Expression von L-Typ-Kanälen in Gefäßmuskelzellen wird differentiell reguliert. (4) Vier diverse Kaliumkanalströme kommen in Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien vor: IK(dr), IBK(Ca), IK(ATP) und STOCs. (5) Spontane transiente Auswärtsströme (STOCs) werden durch Ca2+-Sparks ausgelöst. (6) Ca2+-Sparks entstehen durch Öffnung von Ca2+-Freisetzungskanälen (Ryanodinrezeptoren) des sarkoplasmatischen Retikulums. (7) KATP-Kanäle fungieren als Zielstruktur für diverse endogene und synthetische Vasodilatatoren. (8) Ca2+-Sparks und STOCs bewerkstelligen die Feineinstellung des myogenen Gefäßtonus. (9) Der Ca2+-Spark/STOC-Signalweg stellt potenziell ein neuartiger Angriffsort für Hormone und Pharmaka dar, über den der Gefäßtonus von geringlumigen Arterien beeinflusst werden kann. Diese Ergebnisse tragen zum Verständnis der Bedeutung von plasmalemmalen Ionenkanälen bei chronischen Gefäßerkrankungen wie Atherosklerose und Hypertonie bei und eröffnen möglicherweise neue therapeutische Möglichkeiten. / Plasmalemmal calcium- and potassium channels represent important regulators of the contractile force of smooth muscle. Studies on various human smooth muscle cells have identified different calcium and potassium channels. However, relatively little is known on the presence, biophysical and pharmacological properties, regulation, function, and differential expression of voltage-dependent calcium and potassium channels in human coronary arteries. In this study, voltage-depedent calcium and potassium channels in human coronary arteries were studied. The main findings are: (1) Smooth muscle cells of human coronary arteries exhibit functional voltage-dependent, L-type calcium channels. (2) The high permeation rate of L-type channels in solutions with physiological calcium concentrations is determined by the (1 channel subunit. (3) C-class L-type channels are modulated by G proteins and protein kinase C. (4) The expression of L-type channels in vascular smooth muscle cells is differentially regulated. (4) Four diverse potassium channel currents are present in smooth muscle cells from human coronary arteries: IK(dr), IBK(Ca), IK(ATP) and STOCs. (5) Spontaneous transient outward currents (STOCs) are induced by Ca2+ sparks. (6) Ca2+ sparks are generated by the opening of calcium release channels (ryanodine receptors) in the sarcoplasmic reticulum. (7) KATP channels function as target for diverse endogeneous and synthetic vasodilators. (8) Ca2+ sparks and STOCs control the myogenic tone of arterial vessels. (9) The Ca2+ spark/STOC signaling pathway represents a novel target for hormones and drugs to regulate the diameter of small, resistance-sized arteries. These results contribute to a better understanding of the role of plasmalemmal ion channels in chronic vascular disease, such as atherosclerosis and hypertension. They may open novel therapeutic possibilites in the treatment of chronic vascular disease.

Arterien und Venen sind aufgrund ihrer Funktion im Körper morphologisch, funktionell und genetisch unterschiedlich. Schon die großen Blutgefässe auskleidende Endothelzellen zeigen eine arteriovenöse Determinierung. Ausgehend von einer Mikroarray-Analyse der mRNA-Expression arterieller und venöser Endothelzellen der Nabelschnur wurde im Rahmen dieser Arbeit auf Moleküle des Notch-Signalwegs, Dll-4, Notch-4, Hey-1 und Hey-2 fokussiert, die präferenziell bis exklusiv arteriell exprimiert werden. Weitere Gene mit einem arteriellen Expressionsmuster, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit analysiert wurden, sind Angiopoietin-2 und CD44s. Trotz der genetisch definierten Unterschiede ließ der Vergleich physiologisch relevanter Funktionen, wie Proliferation oder die Interaktion mit monozytären Zellen keinen vom endothelialen Zelltyp abhängigen Unterschied erkennen. Die im Matrigel ausgebildeten kapillar-ähnlichen Strukturen sind durch homogene, eng beieinander liegende Netzwerke charakterisiert. Studien über den Einfluss von Wachstumsfaktoren und Schubspannung auf die arteriovenöse Expression von Angiopoietin-2 deuten auf eine schubspannungsvermittelte Regulation der Gefäßstabilität und Differenzierung hin. Die in der Zellkultur durchgeführten Manipulationen, wie der Einfluss verschiedener Wachstumsfaktoren oder die Applikation unterschiedlicher Schubspannungen, erreichten in Bezug auf die Expression der untersuchten Markergene keine tiefer greifende Redifferenzierung des jeweiligen endothelialen Phänotyps. Der evolutionär hoch konservierte Notch-Signalweg ist präferenziell arteriell exprimiert, wobei Hey-2 ausschließlich arteriell exprimiert wird. In adulten Endothelzellen erfolgt die Hey-2-Regulation jedoch Notch-unabhängig. Die arteriovenöse Genexpression von Molekülen des Notch-Signalwegs ist unabhängig von der Schubspannung. Unter hypoxischen Bedingungen verringerte sich die Expression von Dll-4, Hey-1 / 2 dramatisch, ohne das jedoch physiologische Beeinträchtigungen zu beobachten waren. Die Expression des venösen COUP-TF II wird in arteriellen Endothelzellen nicht durch den Notch-Signalweg reguliert. Die Auswertung der Daten in der vorgelegten Arbeit lässt vermuten, dass die einmal festgelegte genetische Determinierung adulter Endothelzellen fixiert und äußeren Einflüssen gegenüber stabil und unumkehrbar ist. Dennoch ist eine gewisse Anpassungsfähigkeit der Endothelzellen an bestimmte Situationen möglich, die zwar die Ausprägung von Merkmalen des jeweilig anderen Phänotyps beinhaltet, jedoch nicht eine vollständige Redifferenzierung.

Arterien und Venen sind aufgrund ihrer Funktion im Körper morphologisch, funktionell und genetisch unterschiedlich. Schon die großen Blutgefässe auskleidende Endothelzellen zeigen eine arteriovenöse Determinierung. Ausgehend von einer Mikroarray-Analyse der mRNA-Expression arterieller und venöser Endothelzellen der Nabelschnur wurde im Rahmen dieser Arbeit auf Moleküle des Notch-Signalwegs, Dll-4, Notch-4, Hey-1 und Hey-2 fokussiert, die präferenziell bis exklusiv arteriell exprimiert werden. Weitere Gene mit einem arteriellen Expressionsmuster, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit analysiert wurden, sind Angiopoietin-2 und CD44s. Trotz der genetisch definierten Unterschiede ließ der Vergleich physiologisch relevanter Funktionen, wie Proliferation oder die Interaktion mit monozytären Zellen keinen vom endothelialen Zelltyp abhängigen Unterschied erkennen. Die im Matrigel ausgebildeten kapillar-ähnlichen Strukturen sind durch homogene, eng beieinander liegende Netzwerke charakterisiert. Studien über den Einfluss von Wachstumsfaktoren und Schubspannung auf die arteriovenöse Expression von Angiopoietin-2 deuten auf eine schubspannungsvermittelte Regulation der Gefäßstabilität und Differenzierung hin. Die in der Zellkultur durchgeführten Manipulationen, wie der Einfluss verschiedener Wachstumsfaktoren oder die Applikation unterschiedlicher Schubspannungen, erreichten in Bezug auf die Expression der untersuchten Markergene keine tiefer greifende Redifferenzierung des jeweiligen endothelialen Phänotyps. Der evolutionär hoch konservierte Notch-Signalweg ist präferenziell arteriell exprimiert, wobei Hey-2 ausschließlich arteriell exprimiert wird. In adulten Endothelzellen erfolgt die Hey-2-Regulation jedoch Notch-unabhängig. Die arteriovenöse Genexpression von Molekülen des Notch-Signalwegs ist unabhängig von der Schubspannung. Unter hypoxischen Bedingungen verringerte sich die Expression von Dll-4, Hey-1 / 2 dramatisch, ohne das jedoch physiologische Beeinträchtigungen zu beobachten waren. Die Expression des venösen COUP-TF II wird in arteriellen Endothelzellen nicht durch den Notch-Signalweg reguliert. Die Auswertung der Daten in der vorgelegten Arbeit lässt vermuten, dass die einmal festgelegte genetische Determinierung adulter Endothelzellen fixiert und äußeren Einflüssen gegenüber stabil und unumkehrbar ist. Dennoch ist eine gewisse Anpassungsfähigkeit der Endothelzellen an bestimmte Situationen möglich, die zwar die Ausprägung von Merkmalen des jeweilig anderen Phänotyps beinhaltet, jedoch nicht eine vollständige Redifferenzierung.

Die Beurteilung der Wirkung von Cariporide auf dieEreignis-Wahrscheinlichkeit eines Herzinfarktes oder des Todes imRahmen einer Bypass-Operation ist Gegenstand der Arbeit. DasNHE-Austauschersystem in der Herzmuskelzelle induziert den unterIschämie durch den intrazellulären Protonenüberschusshervorgerufenen Na(+)- und Ca(2+)-Einstrom. Cariporide ist einNHE-Inhibitor, der den unter Ischämie durch die Ca(2+)-Überladunginduzierten Herzmuskelzelltod verzögern soll. In einer kombinierten Phase-II/III-Studie (GUARDIAN, n=11590) war derEinfluss verschiedener intravenöser Dosen von Cariporide auf dieHäufigkeit von Herzinfarkt oder Tod in ACS/NQMI, PTCA undCABG-Patientenkollektiven untersucht worden. Nur die höchstdosierteCABG-Gruppe zeigte eine signifikante Reduktion der Ereignisrate um24,7% (p=0,027) gegenüber Placebo. Diese schwacheDosis-Wirkungs-Beziehung konnte durch eine pharmakokinetische undpharmakodynamische Populationsanalyse in eineKonzentrations-Wirkungs-Beziehung überführt werden. Zur Entwicklungdes Populationsmodells waren verschiedene Submodelle notwendig: 1. Modell für den Zeitverlauf der Ereignisrate: Durch Kombination zweier Weibull-Verteilungen ist es möglich, die beobachteten Daten als Überlebenszeitfunktion nach CABG zu beschreiben. Ein akutes, unmittelbar auf die CABG-Operation zurückzuführendes Risiko wird hier von einem chronischen Risiko unterschieden. 2. Pharmakokinetisches Modell: Ein multiexponentielles populationspharmakokinetisches Modell ist notwendig zur Beschreibung der PK nach iv-Applikation von Cariporide bei Probanden und Patienten. 3. Pharmakodynamisches Modell: Über ein empirisches logistisches Modell wird die Reduktion des akuten Risikos mit der mittleren Cariporide Plasmakonzentration unter der Bypass-Operation verknüpft. In einer Substudie der GUARDIAN-Hauptstudie konnte daspopulationspharmakokinetische Modell aus der früherenPhase-I-Entwicklung mit Probanden für die Patienten validiert werden.Die mit Hilfe der individüllen Dosierung, der demographischen Datenund dem Populationsmodell für die Periode mit dem höchsten Risikowährend der CABG-Operation vorhergesagten mittlerenPlasmakonzentrationen flossen in die Analyse derKonzentrations-Zeit-Abhängigkeit der Ereignis-Wahrscheinlichkeit ein. Eine untere Schwellenkonzentration (0,5mg/l), unterhalb der mitkeinem Effekt zu rechnen ist, wurde bestimmt. Die Daten erlaubten dieSchätzung des maximalen Effekts nur unzureichend. Die maximaleRisikoreduktion von 60% wurde mit einem Konfidenzintervall von29% bis 100% geschätzt. Unter Einsatz einer linearen Näherungdes Hill-Modells wurde eine obere Schwellenkonzentration bei 0,9mg/lbestimmt. Nur 37% aller Patienten der 80mg-Dosisgruppe erreichtenmittlere Konzentrationen oberhalb der unteren Schwellenkonzentration,in der 120mg-Dosisgruppe waren es immerhin schon 75% allerPatienten. Die Infusion von 120mg Cariporide über eine Stunde gefolgt voneiner Erhaltungsdosis von 20mg/h für weitere 47 Stunden sollte bei95% der Patienten während der CABG-Operation zu mittlerenKonzentrationen über der minimal effektiven Konzentration von0,5mg/l führen. Eine auf diese Weise mittels Simulationenoptimierte Dosierungsregel sollte während der CABG-Operation zu einemerhöhten Schutz der Patienten gegen die Folgen ischämischerEreignisse führen. Eine weitere Erhöhung der Erhaltungsdosis aufbis zu 40mg/h mit einer entsprechenden Anpassung der Initialdosissollte 95% der Patienten sogar über die bisher nur unsicher zubestimmende obere Grenzkonzentration von 0,9mg/l bringen. Solltenkeine dosislimitierenden Nebenwirkungen auftreten, kann dieseErhöhung sowohl der Initialdosis als auch der Erhaltungsdosis zueiner weiteren Verbesserung während der Risikoperiode führen undeinen weiteren potentiellen klinischen Vorteil für Cariporideerbringen. / Subject of this analysis is the assessment of the effect of cariporideon the event probability of a myocardial infarction (MI) or death inthe scope of a coronary artery bypass graft. Thesodium-hydrogen-exchange system (NHE) in the myocardial cell inducesthe sodium and calcium influx caused by an ischaemia induced hydrogenoverload. Cariporide is a NHE-inhibitor which is seen to be delayingthe necrosis of myocardial cells caused by the ischaemia inducedcalcium influx. The influence of different intravenous doses of cariporide on thefrequency of MI and death in ACS/NQMI, PTCA, and CABG patients hadbeen investigated in a combined phase II/III trial (GUARDIAN,n=11590). Only the highest dosed CABG-subgroup showed a significantreduction of the event-rate compared to placebo of 24.7% (p=0.027).This weak dose-effect-relationship could be translated into aconcentration-effect relationship by using a populationpharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) analysis. To develop thispopulation model a series of sub-models were established: 1) Model for the time-to-event progression: using a combination of two Weibull-distributions, it was possible to describe the observed data following the CABG procedure by means of a survival-function. An acute risk, likely to be related to the CABG-procedure could be discriminated from a chronic risk. 2) Pharmacokinetic model: a multi-exponential population PK model was necessary to describe the PK after iv-application of cariporide in volunteers as well patients. 3) Pharmacodynamic model: using an empirical logistic model the reduction of the acute risk was linked to the cariporide plasma-concentrations. In a sub-study of the GUARDIAN-main study, the population PK model ofthe phase I development in volunteers had been be validated. Usingthe individual dosing, the individual demographic information and thepopulation PK model mean concentrations were calculated for the periodof the highest risk during the CABG procedure. Those concentrationswere then introduced into the analysis of the concentration timedependency of the event probability. A lower threshold concentration (0.5mg/l) was estimated beneath thatno effect would be expected. The data permitted the estimation of themaximum effect only insufficiently. A maximum risk reduction of 60%was estimated with a confidence interval from 29% to 100%. Using thelinear approximation of the Hill-model an upper thresholdconcentration of 0.9mg/l could be determined. Mean concentrationsunder risk were reached above the lower threshold concentration inonly 37% of all patients in the 80mg dose group, whereas in the 120mgdose-group already 75% of the patients exceeded the lower thresholdconcentration. The infusion of 120mg cariporide for an hour followed by a maintenancedose of 20mg/h for further 47 hours should maintain in 95% of thepatients during the CABG-procedure mean concentrations above theminimal effective concentration of 0.5mg/l. A dose regimen optimisedin this sense by means of simulations should lead to an increasedprotection against ischemic events during and after theCABG-operation. A further increase of the maintenance dose up to40mg/h with a corresponding adaptation of the initial dose shouldshift at least 95% of the patients above the so far impreciseestimated upper threshold concentration of 0.9mg. If no dose limitingside-effects occur, this increase of both the initial dose and themaintenance dose may lead to a further improvement during the riskperiod and may result in a further potential clinical advantage forcariporide.