Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Mechanismen zu identifizieren, die an der Induktion von Zellwachstum und/oder Zelltod von Kardiomyozyten beteiligt sind. Zunächst wurde ein Modell entwickelt, das es erlaubt, genregulatorische Elemente in vivo zu identifizieren. Es wurden die verschiedenen Variablen, die die Expression in vivo ins Myokard injizierter Reportergenplasmide regulieren, analysiert. Es stellte sich heraus, daß die Injektion von Reportergenkonstrukten ins Myokard des Hundes ein ausgezeichnetes Modell darstellt zur Analyse der Genregulation im Myokard großer Säugetierspezies. Mit Hilfe dieses Modells gelang durch Injektion von ANF (atrialer natriuretischer Faktor)-Promotorkonstrukten mit anschließendem aortic banding die Identifizierung einer AP1-Bindungsstelle im Promotor des ANF-Gens als cis-regulatorisches Element, das für die Aktivierung des ANF-Gens bei der Druckhypertrophie verantwortlich ist. Zur Identifizierung von Faktoren, die für den Zellzyklusarrest von Kardiomyozyten verantwortlich sind, wurde der ubiquitär exprimierte Transkriptionsfaktor E2F-1 in isolierte Kardiomyozyten mittels adenoviralem Gentransfer eingebracht. Die Überexpression von E2F-1 in Kardiomyozyten führte zur Induktion von programmiertem Zelltod (Apoptose). Die Apoptose wurde in Anwesenheit von Insulin-like Growth Factor-I (IGF-I) supprimiert und es konnte nun gesteigerte DNA-Synthese beobachtet werden. Es zeigte sich weiterhin, daß die Zellzyklusinhibitoren p21CIP1 und p27KIP1 eine besondere Rolle bei der Aufrechterhaltung des Zellzyklusarrestes von Kardiomyozyten spielen, denn in der Anwesenheit von IGF-I verschwanden in Kardiomyozyten, die E2F-1 exprimierten, diese Faktoren aus den Komplexen, die sie mit Zyklinen und zyklin-abhängigen Kinasen (cdks) bilden. Um zu verstehen, über welche Faktoren Apoptose in Kardiomyozyten induziert und über welche intrazellulären Signalwege sie vermittelt wird, wurden isolierte Kardiomyozyten mit freien Sauerstoffradikalen (ROS) exponiert, von denen bekannt ist, daß sie in bestimmten Zellen in einem bestimmten Dosisbereich Apoptose erzeugen können. Obwohl beides, H2O2 und O2-, zur Induktion von Apoptose in Kardiomyozyten führt, werden jeweils unterschiedliche intrazelluläre Signalwege aktiviert. So führt H2O2 zur Freisetzung von mitochondrialem Cytochrom C, was mit einer Translokation von Bax an die Mitochondrien und seiner Interaktion mit dem anti-apoptotischen Faktor Bcl-2 einhergeht. Dies führt zur Aktivierung der Caspase 3. O2- hingegen führt zur Aktivierung der Caspase 6 und Spaltung von Lamin A. / The aim of the study was to elucidate mechanisms controlling death and growth of cardiomyocytes. First, a model was developed suitable to identify regulatory gene sequences in vivo. Multiple variables controlling expression of reportergene constructs injected into the heart were investigated. The results showed that injection of reportergene constructs into the heart of dogs is an appropriate model to analyse regulation of gene expression in vivo in large mammals. Using this approach reportergene constructs harboring the promoter of the ANF (atrial natriuretic factor)-gene were injected in dog hearts which were subjected to pressure overload by aortic banding. Serial mutations of the promoter region revealed an AP-1 like sequence to be of importance for the induction of this gene in pressure overload hypertrophy. In order to identify factors responsible for the cell cycle arrest of cardiomyocytes the transcription factor E2F-1 was overexpressed in isolated cardiomyocytes using adenoviral gene transfer. In cardiomyoccytes the overexpression of E2F1- was followed by apoptosis. Apoptosis was suppressed in the presence of insulin-like growth factor-I (IGF-I) and the re-induction of DNA synthesis could be observed. Cyclin dependent inhibitors (cdi) p21CIP1 and p27KIP1 appear to play an important role in the maintenance of the cell cycle arrest in cardiomyocytes, since these factors dissappeared from cyclin complexes in the presence of IGF-I. In order to understand how apoptosis is induced in cardiomyocytes and which intracellular signalling cascades may be involved, isolated cardiomyocytes were exposed to reactive oxygen species (superoxide anion (O2-) or hydrogen peroxide (H2O2)). Both O2- and H2O2 induced apoptosis in cardiomyocytes dose-dependently. However, different intracellular signalling cascades were activated. Cytochrome C was released by H2O2, but not by O2-. Release of cytochrome c was followed by translocation of Bax from the cytosol to mitochondria where it was interacting with anti-apoptotic Bcl-2 leading to the subsequent activation of caspase-3. O2- lead to an activation of caspase-6 which was followed by the cleavage of lamin A.

Zur Charakterisierung der myokardialen SR Ca2+-Transportaktivität nach experimentellem Myokardinfarkt wurde 10-15 Wochen alten Ratten die linke Koronararterie unterbunden und sechs Wochen später die Funktion und Expression der Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen Retikulums untersucht. Ein Teil der Tiere wurde mit dem Carnitin-Palmitoyl-Transferase-1- Inhibitor Etomoxir behandelt, der die mitochondrale Oxidation von langkettigen Fettsäuren hemmt und dadurch verstärkt Glukoseoxidation bewirkt. Diese Stoffwechselumstellung sollte die Schädigung der myokardialen Funktion und die gestörte zelluläre Ca2+-Homöostase nach Myokardinfarkt vermindern. Die mit Etomoxir behandelten Tiere wiesen nach sechs Wochen eine deutlich verminderte Infarktgröße auf. Durch die CPT-1-Hemmung entstand eine starke biventrikuläre Hypertrophie. Darüber hinaus ergaben sich Hinweise auf den Erhalt einer normalen Wandspannung des linken Ventrikels und einer verbesserten Kontraktilität gegenüber der unbehandelten Gruppe. Unter Etomoxir zeigte die für die diastolische Ca2+ Senkung verantwortliche ATP-abhängige Ca2+-Rückbindung in das SR verbesserte Transportraten. Damit korrelierte der immunchemisch gemessene erhöhte SERCA2a-Proteinspiegel. Die Ergebnisse lassen vermuten, daß es infolge einer Behandlung mit Etomoxir nach Myokardinfarkt zu einer verbesserten Zellstoffwechsellage des ischämisch nicht irreversibel geschädigten Myokards kommt. Dafür scheint die verstärkte Glukoseoxidation bei Hemmung der Oxidation langkettiger Fettsäuren im Herzmuskel verantwortlich zu sein. Die Größe des infarzierten Areals wird begrenzt, dadurch lassen sich zum Teil verbesserte hämodynamische Parameter und gesteigerte SR Ca2+-Transportraten und SERCA2a-Proteinspiegel erklären. Auf die Hämodynamik hat sicherlich auch die durch Etomoxir erfolgte myokardiale Hypertrophie einen wesentlichen Einfluß. Für weitere Studien bleibt abzuklären, durch welchen Mechanismus Etomoxir seine verbessernde Wirkung nach Myokardinfarkt entfaltet. Außerdem ist zu prüfen, ob nach akutem Myokardinfarkt beim Menschen mit dem Prinzip der chronischen Verschiebung der myokardialen Substratverwertung von Fettsäure- nach Glukoseoxidation eine verbesserte Überlebensrate und das Hinauszögern bzw. Verhindern einer Dekompensation des Herzens zu erreichen ist. / To characterise the activity of sarcoplasmic reticulum (SR) Ca2+ after myocardial infarction the left coronary artery of 10-15 week old male rats was ligated; six weeks later function and expression of the SR Ca2+-pump ATPase (SERCA2a) transport in the surviving myocardium was investigated. Part of the animals were treated with the carnithin palmitoyltransferase-1 (CPT-1) inhibitor etomoxir (8mg/kg/d for six weeks) to decrease the oxidation of long chain fatty acids. Due to the drug-induced shift from fatty acid to carbohydrate utilization an attenuated myocardial dysfunction and an improved SR Ca2+ handling homeostasis in the surviving myocardium could be expected. The etomoxir treated rats showed a decreased infarct size six weeks after coronary ligation. Due to CPT-1 inhibition a significant biventricular hypertrophy was observed. In addition, the treatment normalized elevated LVEDP and improved contractility. Compared to sham-operated controls treatment with etomoxir caused an enhanced SR Ca2+ uptake activity that correlated with increased immunoreactive SR Ca2+-ATPase levels. The results suggest that chronic inhibition of CPT-1 after myocardial infarction improves the metabolism of reversible damaged tissue. It appears that increased oxidation of glucose and inhibition of long chain fatty acid oxidation is responsible for this effect. Limitation of the infarct size induces improvement of haemodynamic parameters, increases SR Ca2+ uptake and protein levels of SERCA2a. Further studies are required to find out whether etomoxir is able to delay the development of congestive heart failure in humans and whether it could decrease mortality in patients after myocardial infarction.

Gibt es eine erhöhte Asthma-Mortalität Deutschlands im internationalen Vergleich? Im internationalen Vergleich der Asthmamortalitätsraten, die alle Altersgruppen berücksichtigen, ist Deutschland seit Ende der 60er Jahre führend. Im allgemeinen ist der Tod durch Asthma bronchiale eine relativ seltene Todesursache. In der Asthma-Poliklinik der Charité wurden zwischen den Jahren 1980 und 1999 nur 3 gesicherte und 7 wahrscheinliche Todesfälle durch Asthma bronchiale dokumentiert. Bezüglich der Asthmamortalitätsrate der 5-34jährigen verzeichnete Deutschland im weltweiten Vergleich durchschnittliche Werte. In der Altersgruppe der >60jährigen weist Deutschland eine zwischen drei- und sechsfach erhöhte Asthmamortalität gegenüber westlichen Vergleichsstaaten auf. Der Anteil der Asthmamortalität an der Gesamt-COPD-Mortalität Deutschlands ist überdurchschnittlich hoch. Hinsichtlich der Einflußfaktoren Prävalenz, Therapie, medizinische Versorgung und soziale Bevölkerungsungleichheiten gab es keinen Hinweis auf eine Ursache, die für das Vorliegen einer erhöhten wahren Asthmamortalität Deutschlands verantwortlich sein könnte. Es zeigte sich lediglich eine vergleichsweise geringfügig verstärkte Abneigung deutscher Ärzte bezüglich der Verordnung von Kortikosteroiden. Demgegenüber können insbesondere Fehldiagnosen auf Totenscheinen zu Verfälschungen von Asthmamortalitätsstatistiken führen. In 11 retrospektiven Untersuchungen zu Todesfällen im Zusammenhang mit Asthma bronchiale wurden bei ungefähr 40% falsche Todesursachen ermittelt. Waren bei den 70jährigen nur noch bei 50%. Deutsche Ärzte neigen überproportional häufig dazu, die Todesursache Asthma zu wählen. Zusammenfassend gibt es keinen Anhalt auf eine real vorliegende erhöhte Asthmamortalität Deutschlands. Alle Ergebnisse weisen auf eine Verfälschung der Asthmamortalitätsstatistiken durch unkorrekte Totenscheindiagnosen insbesondere bei Verstorbenen >60 Jahre hin. Zu epidemiologischen Zwecken sollten zukünftig nur noch die Asthmasterblichkeitsraten der 5-34jährigen gewählt werden. / Is there an increased german asthma mortality in the international comparison? Since the late 60's Germany has got the highest asthma mortality worldwide concerning all ages. Generally asthma as the cause of death is seldom. In the Asthma-Poliklinik of the Charité Berlin only 3 reliable and 7 probable asthma death were documented between 1980 and 1999. In difference to the asthma mortality of all ages german asthma mortality of the age 5-34 years is average. Concerning the age >60 years death of asthma in Germany are 3-6 times higher than in other western countries. The asthma-part of the german COPD-mortality is above the average. As to the most important influences on the true asthma mortality (prevalence, therapy, medical care and social inequalities) there is no indication of a cause of an increased german asthma mortality besides a slight aversion against corticosteroids of german physicians. Furtheron inaccuracies of death certification can lead to a falsification of asthma mortality statistics. There were 11 retrospective studies of death certificaion involving the word asthma showing in 40% wrong diagnosis of death. In the age 70 years only 50% were accurate. German physicians use the diagnosis asthma above-averaged. In conclusion there is no hint of a real increased german asthma mortality. All results point to a falsification of the international asthma mortality statistics as a consequence of inaccuracies in death certification especially in ages >60 years. For epidemiological purposes only asthma mortality rates of the ages 5-34 years should be used.

Asthma Bronchiale (AB) ist eine chronisch- obstruktive, teilweise reversible Entzündung der Atemwege, deren klinisches Korellat die bronchiale Hyperreagibilität (BHR) ist. Es lassen sich aufgrund ethiologischer Faktoren extrinsiches und intrinsisches AB unterscheiden, wobei ersteres auf einer allergischen Sensibilisierung und letzteres auf irritativen oder infektbedingten entzündlichen Prozessen beruht. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß von bakteriellem Superantigen auf die Entzündungsreaktion und die bronchiale Hyperreagibilität untersucht. Stapylococcal enterotoxin B (SEB) wurde hierbei als Modellsubstanz in einem Mausmodell eingesetzt, da SEB produzierende Staphylokokken im Nasenrachenraum von Asthmatikern nachgewiesen werden konnten. Nasale Applikation von SEB induzierte in C57BL/6 Mäusen eine Entzündungsreaktion mit Influx von Lymphozyen und eosinophilen Granulozyten sowie gesteigerte Produktion von IL-4, IL-5 und TNF-alpha in der Lunge, welches in der Histologie und Bronchiallavage nachgewiesen wurde. Desweiteren führt SEB allergenunabhängig zur Ausbildung von BHR. SEB Applikation in einem Mausmodell der allergischen Sensibilisierung (gegen Ovalbumin in C57BL/6 Mäusen) verstärkt die allergische Entzündung in der Lunge und die BHR. CD23 (Low-Affinity IgE Rezeptor) Knock out Tiere zeigen nach allergischer Sensibilisierung und SEB Behandlung keinen Anstieg der TNF-alpha Produktion und keine Hyperreagibilität. Aus diesen Ergebnisse läßt sich schlußfolgern: I. Bakterielles Superantigen induziert das Vollbild des intrinsischen AB im Tiermodell. II. Bakterielles Superantigen kann das extrinsische, allergische AB verstärken. III. Der CD23 Rezeptor ist essentiell für die TNF-alpha Produktion und die Induktion von BHR. Diese Resultate sollten in klinischen Studien am Patienten überprüft werden, da aufgrund der hier vorliegenden Daten zu erwarten ist, daß Antibiotikatherapie, und damit Elimination superantigenproduzierender Bakterien im Nasenrachenraum, die klinische Symptomatik des AB reduzieren kann. / Asthma bronchiale (AB) is an obstructive, partially reversible chronic inflammatatory disease of the small airways, which clinical correlate is represented by airway hyperreactivity. Based on etiological factors, AB can be divided in extrinsic and intrinsic AB, where the first depends on an allergic sensitization and the latter on airway irritation by environmental factors or airway inflammation due to viral or bacterial infection. In this thesis, the role of bacterial superantigens in airway inflammation and -hyperreactivity is analyzed. Staphylococcal enterotoxin B (SEB) was used as a prototypic substance, since SEB producing Staphylo-coccal aureus can be found in the nose and pharynx of asthmatic patients. Nasal application of SEB in C57BL/6 mice resulted in airway inflammation characterized by an influx of lymphocytes and eosinophil granulocytes and increased production of IL-4, IL-5, and TNF-alpha, which was analyzed by histology and bronchiolalveolar lavage. Furthermore, SEB induced independent of aller-gens airway hyperreactivity. SEB application in a mouse-model of allergic sensitization (to ovalbumin in C57BL/6 mice) boosts the allergen-induced allergic inflammation and airway hyperreactivity. CD23 (low-affinity IgE receptor) knock out mice showed no increased TNF-alpha production and no air-way hyperreactivity after allergic sensitization and SEB treatment. These results demonstrate: I. Bacterial superantigen can induce intrinsic AB in a mouse model. II. Bacte-rial superantigen can significantly boost the allergic, extrinsic AB. III. The CD23 receptor is essential for TNF-alpha production and for the induction of airway hyperreactivity. Based on these findings, clinical surveys should be performed, since one could expect, that eradication of nasal bacterial carriage and therefore local superantigen sezernation should improve the AB- symptoms in affected patients.

Das Proteasom ist ein multikatalytischer, ATP-abhängiger Enzymkomplex, der kurzlebige und regulatorische Proteine in der Zelle abbaut. Im Rahmen der Proteinqualitätskontrolle werden durch das Proteasom auch fehlerhaft synthetisierte bzw. falsch gefaltete oder chemisch geschädigte Proteine degradiert. Zellen hämatopoetischen Ursprungs exprimieren sogenannte Immunoproteasomen, die durch drei alternative katalytische Untereinheiten (LMP2, MECL-1 und LMP7) charakterisiert sind. Unter dem Einfluss von Interferonen kommt es auch in nicht-hämatopoetischen Zellen zur de novo Assemblierung von IP. Sie weisen im Vergleich zu Standardproteasomen einen erhöhten Substratumsatz sowie veränderte Schnittpräferenzen auf. Dadurch können Standard- und Immunoproteasomen verschiedene MHC Klasse I-restringierte antigene Peptide generieren. Die vorliegende Arbeit untersucht die Relevanz der LMP2- bzw. der LMP7- Untereinheit im Rahmen der Coxsackievirus B3 Myokarditis. LMP7-/- Mäuse zeigen eine suffiziente CD8+ T Zell Antwort, die zur vollständigen Viruselimination nach der akuten Entzündungsphase beiträgt. Die reguläre Expression pro-inflammatorischer Zytokine und antiviraler Signalwege sowie CVB3-spezifischer IgG-Antikörper spricht gegen eine spezielle Funktion von IP bei der Induktion einer effektiven Immunantwort in diesem Modell. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass der verminderte Einbau aller IP-Untereinheiten in LMP7-defizienten Mäusen mit einer schweren Inflammation und Myokardschädigung einhergeht. Der verringerte Substratumsatz führt zur Akkumulation von polyubiquitinylierten, oxidativ geschädigten Proteinen sowie zur verstärkten Apoptose IP-defizienter Kardiomyozyten und inflammatorischer Zellen. / The standard proteasome is the major ATP-dependent multi-catalytic protein complex that is important for the proteolytic processing of short-lived and regulatory proteins. It also degrades exogenous or improperly synthesized, misfolded, and damaged proteins. Cells of hematopoietic origin predominantly express an alternative variant - the immunoproteasome, which is characterized by three specific catalytically active subunits (LMP2, MECL-1 and LMP7). In non-immune cells, these immunosubunits are also induced and incorporated into newly assembling IPs upon exposure to interferons. As compared to standard proteasomes, IPs display altered cleavage site preferences, resulting in the generation of a different spectrum of antigenic peptides for MHC class I presentation. The present thesis investigates the impact of LMP2- and LMP7 within the context of viral heart disease, making use of the well-established murine model of coxsackievirus B3 infection. LMP7-deficient mice demonstrate a potent CD8+ T cell capacity to control CVB3 infection, resulting in viral clearance after the acute stage of disease. The expression of pro-inflammatory cytokines, innate antiviral mediators, and CVB3-specific IgG antibodies argue against a specific role of IPs in the induction of an effective immune response against CVB3 infection. However, the impaired incorporation of all three immunosubunits in LMP7-deficient hearts coincides with severe inflammation and myocardial tissue damage. Exposure to IFN-γ gives rise to prolonged accumulation of oxidant-damaged, poly-ubiquitylated proteins in IP-deficient cardiomyocytes and inflammatory cells. Along with the restricted degradation of toxic protein aggregates, inflammatory cells and the adjacent myocardium are prone to increased apoptotic cell death.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung von Geschlechterunterschieden (GU) in der Expression von miRNAs im späten Stadium der Myokardhypertrophie, sowie der möglichen Rolle von ERbeta bei der Regulierung dieser GU. Unsere früheren Studien identifizierten ERβ als determinierenden Faktor für die beobachteten GU bei Druckbelastung. Unter anderem führte eine Deletion des ERbeta zur Aufhebung der zuvor beobachteten GU auf physiologischer und fibrotischer Ebene, sowie in der Genexpression. In dieser Studie wurden insgesamt 30 miRNAs mit Geschlechter- und/oder Geschlecht*Operation-Interaktionseffekten 9 Wochen nach TAC in WT Mäusen identifiziert. Die gleichen Effekte waren in ERbeta-/- Tieren nicht zu beobachten, teilweise aufgrund einer höheren Expression dieser miRNAs in ERbeta-/- Weibchen als bei den Männchen. Die vorliegende Studie zeigt eine Hemmung vieler miRNAs durch Östrogen (E2) und seine Rezeptoren in weiblichen Kardiomyozyten, welches somit die in vivo-Ergebnisse bestätigt und die protektive Rolle von E2 und ERβ im weiblichen Herzen unterstreicht. Sechs der miRNAs mit GU in WT-, aber nicht in ERbeta-/- Hypertrophie-Modellen wurden als mögliche Fibroseregulatoren identifiziert, da ihnen gemeinsame Inhibitoren des ERK-MAPK-Signalwegs als Zielgene vorhergesagt wurden. Die Expression dieser miRNAs, miR-106a, miR-106b, miR-21, miR-24, miR-27a und miR-27b, war in kardialen Fibroblasten durch E2 geschlechterabhängig reguliert. Zusammengefasst bestätigt diese Arbeit die schützende Rolle von E2 und ERbeta im weiblichen Herzen. E2 und seine Rezeptoren hemmen die Expression vieler miRNAs in weiblichen Kardiomyozyten und kardialen Fibroblasten, sowie in vivo. In männlichen Herzen und kardialen Fibroblasten scheint ERalpha der Hauptakteur zu sein, welcher insbesondere mögliche Fibrose-bezogene miRNAs reguliert. Die verschiedenen Rollen der ERs in weiblichen und männlichen Herzen sind ein bestimmender Faktor der beobachteten GU bei Myokardhypertrophie. / The present study aimed to identify sex-differently expressed miRNAs in a late stage of hypertrophy (9 weeks) and the possible role of ERs in the regulation of these differences. Our previous studies identified ERbeta as an important determinant factor of the observed sex differences in pressure overload, playing different roles in males and females. This report identified a total of 30 miRNAs with sex and/or sex*surgery interaction effect 9 weeks after TAC in WT mice. The same effects were not observed in ERbeta-/- animals partially due to the higher expression of these miRNAs in ERbeta-/- females than in their WT counterparts. This study reveals a repression of a number of miRNAs by estradiol and its receptors alpha and beta in female cardiomyocytes, confirming the in vivo results and accentuating the important protective role of oestrogen and ERbeta in the female heart. Six of the miRNAs with sex differences in WT but not in ERbeta-/- hypertrophy models were found to be possible fibrosis regulators by putatively targeting common ERK/MAPK pathway inhibitors. MiR-106a, miR-106b, miR-21, miR-24, miR-27a and miR-27b were subjected to a different regulation by estradiol in cardiac fibroblasts in a sex-dependent manner. In conclusion, this study reinforces the oestrogen and ERbeta protective roles in the female hearts. Estradiol and ERs repress many miRNAs’ expression in both female cardiomyocytes and cardiac fibroblasts, as well as in vivo. In male hearts and cardiac fibroblasts, ERalpha is apparently the major player, regulating in particular potential fibrosis –related miRNAs. The different roles of ERs in male and female hearts are a determinant factor of the observed sex differences in cardiac hypertrophy.

Die Arbeit sollte klären, ob die pulmonalprotektiven Effekte von AT III bei LPS-induziertem ARDS auch auf einer Stimulation der pulmonalvaskulären PGI2-Freisetzung beruhen. Die Freisetzung von Big ET-1 und ET-1 unter septischen Bedingungen sollte quantifiziert sowie mögliche Effekte von AT III auf diese Freisetzung untersucht werden. Dabei wurde das Modell der isolierten Rattenlunge verwendet. Die Perfusion der Lunge mit LPS führte zu einer Steigerung der Kon-zentration von 6-Keto-PGF1(, dem stabilen Metaboliten von PGI2, auf das 1,6fache und der Konzentration von TxB2, dem stabilen Metaboliten von TxA2, auf das 2,9fache gegenüber der Kontrollgruppe. Die Konzentration von ET-1 erhöhte sich unter LPS auf das 1,6fache, während der Big ET-1 Spiegel konstant blieb. Die Gabe von AT III hatte keinen Effekt auf die Freisetzung von PGI2 und TxA2. Die kombinierte Gabe von LPS und AT III wirkte ebenso wie die Gabe von LPS allein. Die Konzentrationen von Big ET-1 und ET-1 erhöhten sich unter 2 U/ml AT III auf das 1,7- bzw. 1,2fache und unter 5 U/ml AT III auf das 1,6- bzw. 1,3fache gegen-über den Kontrollen. Die kombinierte Gabe von LPS und AT III führte zu einem signifikant höheren Big ET-1-Spiegel vom 2,6fachen des Basalwertes, während sich die Konzentration von ET-1 nicht von der unter LPS bzw. AT III allein unterschied. Die Gabe von Cicaprost, einem stabilen synthetischen PGI2-Analogon, beeinflußte weder die basale noch die durch 2 U/ml AT III und 50 µg/ml LPS stimulierte Big-ET-1- und ET-1-Freisetzung. Nicardipin, ein Blocker der L-Typ-Kalzium-Kanäle, Heparin und N-Acetyl-Heparin, ein nicht an AT III bindendes Heparin, antagonisierten jeweils den stimulierenden Effekt von AT III auf die Big-ET-1- und ET-1-Freisetzung komplett. Staurosporin, ein Proteinkinase C-Inhibitor und Genistein, ein Tyrosinkinase-Inhibitor hatten keinen Effekt auf die durch AT III stimulierte Big-ET-1- und ET-1-Freisetzung. SCHLUßFOLGERUNGEN: Das für den protektiven Effekt des AT III bei ARDS verantwortlich gemachte PGI2 scheint nichtpulmonalen Ursprungs zu sein. Eine PGI2-mediierte Hemmung der pulmonalen ET-1-Sekretion war nicht zu beobachten und scheint somit nicht am protektiven Effekt des AT III beim septischen ARDS beteiligt zu sein. Der beobachtete stimulierende Effekt des AT III auf die Freisetzung der pulmonalen Endotheline ist von möglicher pathophysiologischer Relevanz, da er die erwähnte protektive Wirkung des AT III mit hoher Wahrscheinlichkeit abschwächt. Dieser stimulierende Effekt des AT III scheint dabei an der intakten Rattenlunge weder von der Proteinkinase C noch von Tyrosinkinasen vermittelt zu sein. Weiterhin ist festzustellen, daß die stimulierende Wirkung des AT III auf die pulmonalvaskuläre Freisetzung von Big ET-1 und ET-1 von einem Kalziumeinstrom durch L-Typ-Kalzium-Kanäle und damit von der intrazellulären Kalziumkonzentration abhängig ist. Wie die gleiche Wirksamkeit von Heparin und N-Azetyl-Heparin zeigt, erfordert die Blockade des AT-III-Effektes durch die Heparine keine direkte Bindung an AT III, was auf die zusätzliche Rolle der intrazellulären Kalziumfreisetzung über IP3 hinweist. / The aim of the present study was to clarify if the pulmonary protective effects of AT III in LPS-induced ARDS can be attributed to a stimulation of the pulmonary vascular release of PGI2. The pulmonary vascular release of big ET-1 and ET-1 under septic conditions and the possible influence of AT III was to be investigated. To this end, we used the model of the isolated perfused rat lung. Exposure of the lung to LPS increased the release of 6-Keto-PGF1(, the stable metabolite of PGI2, 1.6fold and the production of TxB2, the stable metabolite of TxA2, 2.9fold compared with control lungs. The release of ET-1 increased 1.6fold under LPS, whereas the concentration of big ET-1 was unchanged. The application of AT III had no effect on the release of PGI2 and TxA2. The effects following combined application of LPS and AT III were similar to the effects of LPS alone. Compared with controls, AT III, at 2 U/ml, increased the perfusate levels of big ET-1 and ET-1 1.7fold and 1.2fold, respectively; the administration of 5 U/ml AT III raised big ET-1 and ET-1 1.6fold and 1.3fold, respectively. Combined application of LPS and AT III resulted in a 2.6fold rise of big ET-1 levels compared with controls, whereas concentrations of ET-1 did not differ from those in the presence of LPS or AT III alone. Cicaprost, a stable PGI2 analogue, affected neither the basal nor the AT III plus LPS-stimulated release of big ET-1 and ET-1. Nicardipin, an L-type calcium channel blocker, heparin and N-acetyl heparin, a heparin derivative devoid of AT III affinity, each antagonized completely the AT III-stimulated increase in big ET-1 and ET-1 levels. Staurosporin, an inhibitor of protein kinase C, and genistein, an inhibitor of tyrosine kinases, did not influence the AT III effects on endothelins. CONCLUSIONS: In ARDS, the well-known rise in plasma PGI2 in response to AT III obviously originates from non-pulmonary sources. PGI2 does not suppress the pulmonary ET-1 secretion; therefore, this mechanism seems not involved in the AT III-induced lung protection during septic ARDS. The AT III-mediated stimulation of the release of pulmonary endothelins is of potential pathophysiological relevance, because it may blunt the protective effects of AT III in ARDS. In the intact rat lung, this stimulatory effect of AT III is mediated neither by protein kinase C nor by tyrosine kinases. Moreover, the observed effect of AT III on pulmonary endothelins is based on calcium influx through L-type calcium channels and depends on the intracellular calcium activity. The equipotency of heparin and N-acetyl heparin in inhibiting the AT III action demonstrates that direct binding of AT III is not essential for the blocking effect of heparins. This fact points to additional involvement of an IP3-dependent intracellular calcium release.

In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir verschiedene Aspekte von Herzrhythmen, von einzelnen Zellen bis zu den gesamten menschlichen Vorhöfen. Das Hauptprojekt ist die Entwicklung eines realistischen und effizienten Modells für die Erregungsausbreitung in den menschlichen Vorhöfen. Im ersten Kapitel untersuchen wir stimulierte Herzellen und den Verlust vom 1:1-Rhythmus für steigende Frequenzen. Weiter untersuchen wir Wellenausbreitung in Gewebe mit besonderen elektrophysiologischen Eigenschaften, die mit chronischen Erkrankungen der Vorhöfe in Verbindung stehen. Dann wenden wir uns Ionenmodellen zu, die ein zentraler Teil des Vorhofmodells sind. Wir untersuchen die Auswirkungen einer Verletzung der Ladungserhaltung, die in allen Ionenmodellen vorliegt, die die Konzentrationen der Ionen als Variablen enthalten, und erklären, warum diese Auswirkungen meist vernachlässigbar sind. Wir entwickeln weiter eine Methode, Ionenmodelle zu vereinfachen und dabei ihre für die Wellenausbreitung wichtigen Eigenschaften nur minimal zu verändern. Diese Methode wenden wir auf ein realistisches Ionenmodell für menschliches Vorhofgewebe an und kombinieren es mit anatomischen Daten, um das gewünschte realistische Vorhofmodell zu erhalten. Schließlich benutzen wir dieses Modell, um mögliche Mechanismen der Enstehung von Herzrhythmusstörungen zu untersuchen. / In this thesis, we study heart rhythms at different levels, from single cells to the entire human atria. The main project of this thesis is the development of a realistic and efficient model of wave propagation in the human atria. We start by studying paced single cells and their loss of 1:1 rhythmicity for increasing frequency. We go on to study wave propagation in tissue with special electrophysiologic properties, related to chronical disease of the atria. Then we treat ionic models, which are a central part of our atrial model. We discuss a recently discovered mathematical degeneracy present in all models of cardiac cells that include intracellular ion concentrations and we explain why this degeneracy has only a negligible effect on wave propagation. We develop a method to reduce the complexity of ionic models while closely retaining their wave propagation properties. Then we apply this method to a realistic ionic model of the human atria and combine it with anatomical data to get the desired model. We use this model to explore possible mechanisms for the genesis of arrhythmias.

Die Linksventrikuläre Noncompaction des Myokards (LVNC) ist eine seltene primäre Herzmuskelerkrankung. Es wird angenommen, dass es sich um eine embryonale Entwicklungsstörung des Myokards handelt. Mutationen in dem X-chromosomalen Gen TAZ sind verantwortlich für Fälle von frühkindlicher LVNC während die genetische Ursache autosomal-dominant vererbter adulter LVNC weitgehend unbekannt ist. In dieser Arbeit wurde die genetische Ursache der LVNC in der Familie LVNC-105 untersucht. Weiterhin wurden in einem großen Kollektiv von LVNC-Indexpatienten Kandidatengenanalysen durchgeführt. Bei der Familie LVNC-105 zeigte die genomweite Kopplungsanalyse nur signifikant hohe 2-Punkt-LOD-Werte auf Chromosom 11p15. Der maximale 2-Punkt-LOD-Wert betrug 5,06 bei D11S902 und der Lokus konnte auf 3,2 Mb (4,9 cM) eingeengt werden. Unter den 40 Genen des Erkrankungslokus war das Kandidatengen CSRP3, das bereits für 2 andere Kardiomyopathien, die dilatative und die hypertrophe Kardiomyopathie (DCM und HCM), als Krankheitsgen beschrieben wurde. Die Sequenzierung des genomischen Bereichs von CSRP3 zeigte keine Mutation bei den betroffenen Familienmitgliedern. Auch die Analyse von weiteren, im Lokus enthaltenen Gene ergab keine Mutation in kodierenden Exons. Auch Untersuchungen auf Transkriptebene offenbarten keine genetische Veränderung. Bei der Sequenzierung der LVNC-Kandidatengene LDB3, LMNA, Nkx2.5 und\linebreak BMP10 bei 63 erwachsenen Indexpatienten mit isolierter LVNC wurde nur eine Mutation in LDB3 gefunden. Erstmals wurden auch 7 Gene, die für sarkomere Proteine kodieren und als Krankheitsgene für HCM und DCM bekannt sind, mittels DHPLC untersucht. Es wurden Mutationen in einem großen Anteil der LVNC-Indexpatienten (19%) in MYH7, ACTC, TPM1 und TNNT2 identifiziert. Klinische Untersuchungen zeigten bei 7 von 12 Patienten mit Mutationen das Vorliegen einer familiären LVNC. In 4 autosomal-dominanten LVNC-Familien kosegregierten die MYH7 Mutationen mit der Erkrankung. MYH7 war mit einem Anteil von 13% das häufigste Krankheitsgen. Die Mutationen in MYH7 lagen vorwiegend in der ATP-Bindungsstelle. LVNC gehört damit zum Spektrum der Kardiomyopathien, die durch Mutationen in sarkomeren Proteinen hervorgerufen werden können. / Left ventricular noncompaction of the myocardium (LVNC) constitutes a rare primary cardiomyopathy. The mechanistic basis is assumed to be an arrest in embryonic cardiac development. Mutations in the X-linked TAZ gene are responsible for cases of infantile LVNC whereas the genetic base of late-onset LVNC in most patients is still unresolved. The objectives of this dissertation were to investigate the genetic defect in family LVNC-105 with autosomal dominant inherited LVNC and to screen a large cohort of patients with isolated LVNC for mutations in candidate genes. In kindred LVNC-105 genome wide linkage analysis revealed significant two-point LOD scores only at chromosome 11p15. A peak 2-point LOD score of 5.06 was obtained with marker D11S902 and a critical interval of 3.2 Mb (4.9 cM) was determined. Among the 40 genes within the disease region one candidate gene was CSRP3, a disease gene for hypertrophic (HCM) and dilated (DCM) cardiomyopathy. Sequence analysis of the genomic CSRP3 region did not reveal mutations in affected family members. Also, analysis of the coding region of further candidate genes contained within the disease locus did not show mutations. Investigations of the genes on transcript level did not detect alterations. Candidate gene analysis of LDB3, LMNA, Nkx2.5 and BMP10 in 63 index patients with isolated LVNC only one mutation was detected in LDB3. For the first time 7 genes encoding sarcomere proteins, known as disease genes for HCM and DCM, were screened for mutations by DHPLC in LVNC patients. Mutations were found in a significant proportion of the cohort of LVNC index patients (19%) in MYH7, ACTC, TPM1 and TNNT2. Clinical evaluations demonstrated familial disease in 7 of 12 probands with sarcomere gene mutations. MYH7 mutations segregated with the disease in 4 autosomal dominant LVNC kindreds. MYH7 was identified as the most prevalent LVNC disease gene (13%) in this cohort. Modified residues in MYH7 were mainly located within the ATP binding site. In conclusion, LVNC belongs to the spectrum of cardiomyopathies originating in molecular defects of the sarcomere.

In the first chapter, a Q-switched fiber laser that is capable of generating transform-limited pulses based on single-frequency fiber laser seeded ring cavity is demonstrated. The output pulse width can be tuned from hundreds of nanoseconds to several microseconds. This Q-switched ring cavity fiber laser can operate over the whole C-band. In addition, a theoretical model is developed to numerically study the pulse characteristics, and the numerical results are in good agreements with the experimental results. In the next chapter, a Raman fiber laser is developed for generating signal at 1480 nm. Initial experimental results has demonstrated generating of Raman laser at 1175 nm, 1240 nm, 1315 nm, and 1395 nm wavelength. Finally, a free space fiber amplifier is studied both theoretically and experimentally. The experimental work has demonstrated signal coupling efficiency up to 90% in the NP highly Er/Yb co-doped phosphate fiber.