University, Diss., 2006--Würzburg.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung von Schnellbild-Verfahren der Magnetresonanztomografie (MRT), die auf der Messung stimulierter Echosignale beruhen. Die schnellen STEAM (STEAM = stimulated echo acquisition mode) MRT-Technik leidet im Gegensatz zu alternativen Messtechniken auch bei hohen Magnetfeldstärken nicht unter Bildverzerrungen und Begrenzungen durch eine hohe Hochfrequenzbelastung. Da sie jedoch Bilder geringerer Signalintensität liefert, bestand das Primärziel dieser Arbeit in einer Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, um die Vorteile für die Herzbildgebung und die diffusionsgewichtete MRT des Gehirns besser nutzen zu können (Anwendungen am Menschen bei einer Feldstärke von 3 Tesla). Durch eine Kombination verschiedener physikalischer (Messtechnik, Ortskodierung, Unterabtastung) und mathematischer Maßnahmen (Bildrekonstruktion) konnte in dieser Arbeit eine erhebliche Signalsteigerung bei gleichzeitiger Verkürzung des Messzeit von Einzelbildern erreicht werden. Die Ergebnisse der STEAM-MRT am Herzen zeigen Schnittbilder des Herzmuskels ohne den störenden Einfluss der Signale des Blutes. Die diffusionsgewichtete MRT des Gehirns lieferte ohne Suszeptibilitätsartefakte eine verzerrungsfreie Kartierung des Diffusionstensors und – daraus abgeleitet – eine anatomisch korrekte, dreidimensionale Rekonstruktion von Nervenfaserbahnen etwa des Cingulums. / This thesis deals with the development and application of a rapid magnetic resonance imaging (MRI) technique that is based on the acquisition of stimulated echoes. In contrast to alternative approaches, the rapid STEAM sequence (STEAM = stimulated echo acquisition mode) does not suffer from image distortions and RF power limitations, even at high magnetic field strengths. The primary goal of this thesis was the improvement of the relatively low signal-to-noise-ratio of the STEAM technique in order to exploit its advantages for cardiac imaging and diffusion-weighted MRI of the brain (human studies at a field strength of 3 Tesla). By combining a variety of physical (acquisition technique, spatial encoding, undersampling) and mathematical operations (image reconstruction), this work achieved a significant signal increase while reducing the measurement time of individual images. The results include rapid STEAM images of the heart which delineate the anatomy of the myocardial wall without disturbing signals from the blood. Moreover, the advances allow for diffusion-weighted MRI of the brain without susceptibility artifacts yielding distortion-free maps of the diffusion tensor at high spatial resolution. This information could be used for anatomically correct three-dimensional reconstructions of nerve fiber tracts such as the human cingulum.

The Popeye domain containing (Popdc) gene family of membrane proteins is predominantly expressed in striated and smooth muscle tissues and has been shown to act as novel cAMP-binding proteins. In mice, loss of Popdc1 and Popdc2, respectively, affects sinus node function in the postnatal heart in an age and stress-dependent manner. In this thesis, I examined gene expression pattern and function of the Popdc gene family during zebrafish development with an emphasis on popdc2. Expression of the zebrafish popdc2 was exclusively present in cardiac and skeletal muscle during cardiac development, whereas popdc3 was expressed in striated muscle tissue and in distinct regions of the brain. In order to study the function of these genes, an antisense morpholino-based knockdown approach was used. Knockdown of popdc2 resulted in aberrant development of facial and tail musculature. In the heart, popdc2 morphants displayed irregular ventricular contractions with 2:1 and 3:1 ventricular pauses. Recordings of calcium transients using a transgenic indicator line Tg(cmlc2:gCaMP)s878 and selective plane illumination microscopy (SPIM) revealed the presence of an atrioventricular (AV) block in popdc2 morphants as well as a complete heart block. Interestingly, preliminary data revealed that popdc3 morphants developed a similar phenotype. In order to find a morphological correlate for the observed AV conduction defect, I studied the structure of the AV canal in popdc2 morphants using confocal analysis of hearts of the transgenic line Tg(cmlc2:eGFP-ras)s883, which outlines individual cardiac myocytes with the help of membrane-localized GFP. However, no evidence for morphological alterations was obtained. To ensure that the observed arrhythmia phenotype in the popdc2 morphant was based on a myocardial defect and not caused by defective valve development, live imaging was performed revealing properly formed valves. Thus, in agreement with the data obtained in knockout mice, popdc2 and popdc3 genes in zebrafish are involved in the regulation of cardiac electrical activity. However, both genes are not required for cardiac pacemaking, but they play essential roles in AV conduction. In order to elucidate the biological importance of cAMP-binding, wild type Popdc1 as well as mutants with a significant reduction in binding affinity for cAMP in vitro were overexpressed in zebrafish embryos. Expression of wild type Popdc1 led to a cardiac insufficiency phenotype characterized by pericardial edema and venous blood retention. Strikingly, the ability of the Popdc1 mutants to induce a cardiac phenotype correlated with the binding affinity for cAMP. These data suggest that cAMP-binding represents an important biological property of the Popdc protein family. / Die Popeye domain containing (Popdc) Gene kodieren für eine Familie von Membranproteinen, die vorwiegend in der gestreiften und glatten Muskulatur exprimiert werden und in der Lage sind cAMP zu binden. In Mäusen resultiert der Verlust von Popdc1 oder Popdc2 in einer stressinduzierten Sinusknotendysfunktion, die sich altersabhängig entwickelt. In meiner Dissertation habe ich das Expressionsmuster und die Funktion der Popdc Genfamilie mit Schwerpunkt auf dem popdc2-Gen im Zebrafisch untersucht. Das popdc2-Gen im Zebrafisch wurde ausschließlich in der Herz- und Skelettmuskulatur exprimiert, während popdc3 sowohl in der quergestreiften Muskulatur, als auch im Gehirn exprimiert wurde. Um die Funktion dieser Gene zu untersuchen, wurde die Prozessierung der prä-mRNA mit Hilfe von Morpholinos unterdrückt, die gegen die Spleißdonor bzw. -akzeptorsequenzen von popdc2 und popdc3 gerichtet waren. Das Fehlen von popdc2 im Zebrafisch resultierte in einer Fehlentwicklung der Gesichts- und Schwanzmuskulatur. Im Herzen der popdc2-Morphanten waren ventrikuläre Überleitungsstörungen mit einem 2:1 oder 3:1 Rhythmus zu beobachten. Analysen der Calciumfreisetzung mittels SPIM (selective plane illumination microscopy) in der transgenen Zebrafischlinie Tg(cmlc2:gCaMP)s878, die einen fluoreszierenden Calciumindikator exprimiert, zeigten in den popdc2-Morphanten einen AV-Block bis hin zum kompletten Herzblock. Interessanterweise ergaben vorläufige Analysen in popdc3-Morphanten einen ähnlichen Phänotyp. Um eine mögliche morphologische Ursache der beobachteten AV-Überleitungsstörung zu finden, habe ich die Struktur des AV-Kanals von popdc2-Morphanten mit Hilfe der transgenen Zebrafischlinie Tg(cmlc2:eGFP-rass883) und konfokaler Mikroskopie untersucht. Allerdings konnte ich kein Anzeichen für morphologische Veränderungen erkennen. Um sicherzugehen, dass der beobachtete Rhythmusphänotyp der popdc2-Morphanten nicht auf einer myokardialen Störung beruht oder auf einem Defekt bei der Klappenentwicklung, wurden zusätzlich Lebendaufnahmen angefertigt, die zeigten, dass die Klappen normal entwickelt waren. In Übereinstimmung mit den Daten aus den Knockout-Mäusen haben die popdc2- und popdc3-Gene auch im Zebrafisch eine wichtige Funktion bei der elektrischen Reizleitung im Herzen. Allerdings sind die beiden Gene für die Erregungsbildung im Sinusknoten nicht essentiell, sondern werden für die Signalübertragung im AV-Kanal benötigt. Um die biologische Signifikanz der cAMP-Bindung zu untersuchen, wurden Wildtyp-Popdc1 und Punktmutanten, die eine Reduktion in der cAMP-Bindung aufweisen, nach RNA-Injektion in Zebrafischembryonen überexprimiert. Die Injektion von Wildtyp-Popdc1 induzierte eine embryonale Herzinsuffizienz, die durch perikardiales Ödem und venösen Blutstau charakterisiert war. Die Fähigkeit der Popdc1-Punktmutanten, einen Herzphänotyp nach Überexpression zu induzieren, war direkt korreliert mit der Bindungsaffinität für cAMP. Diese Daten lassen den Schluss zu, dass die Fähigkeit der cAMP-Bindung eine wichtige biologische Eigenschaft der Popdc-Proteinfamilie darstellt.

Cardiovascular disease is the leading cause of mortality in both men and women in the Western world. Earlier observations have pointed out that pre-menopausal women have a lower risk of developing cardiovascular disease than age-matched men, with an increase in risk after the onset of menopause. This observation has directed the attention to estrogen as a potential protective factor in the heart. So far the focus of research and clinical studies has been the vascular system, leaving the current knowledge on the role of estrogen in the myocardium itself rather scarce. Functional estrogen receptor-alpha as well as -beta have recently been identified in the myocardium, making the myocardium an estrogen target organ. The focus of this thesis was 1) to investigate the role of estrogen and estrogen receptors in modulating myocardial gene expression both in vivo in an animal model for cardiac hypertrophy (spontaneously hypertensive rats; SHR), as well as in vitro in isolated neonatal cardiomyocytes, 2) to investigate the mechanisms of the rapid induction of an estrogen target gene, the early growth response gene-1 (Egr-1) and 3) to initiate the search for novel estrogen target genes in the myocardium. 1) The effects of estrogen on the expression of one of the major myocardial specific contractile proteins, the alpha-myosin heavy chain (alpha-MHC) have been investigated. In ovarectomised animals treated either with 17beta-estradiol alone or in combination with a specific estrogen receptor antagonist, ICI 182780, it was shown that both alpha-MHC mRNA and protein were upregulated by estrogen in an estrogen receptor specific manner. The in vivo results were confirmed in vitro in isolated neonatal cardiomyocytes which showed that estrogen has a direct action on the myocardium potent enough to upregulate the expression of alpha-MHC. Furthermore it was shown that the alpha-MHC promoter is induced by estrogen in an estrogen receptor-dependent manner and first investigations into the mechanisms involved in this upregulation identified Egr-1 as a potential transcription factor which, upon induction by estrogen, drives the expression of the alpha-MHC promoter. 2) Previously it was shown that Egr-1 is rapidly induced by estrogen in an estrogen receptor-dependent manner which was mediated via 5 serum response elements (SREs) in the promoter region and surprisingly not via the estrogen response elements (EREs). In this study it was shown that estrogen-treatment of cardiomyocytes resulted in the recruitment of serum response factor (SRF), or an antigenically related protein, to the SREs in the Egr-1 promoter, which was specifically inhibited by the estrogen receptor antagonist ICI 182780. Transfection experiments showed that estrogen induced a heterologous promoter consisting only of 5 tandem repeats of the c-fos SRE in an ER-dependent manner, which identified SREs as promoter elements able to confer an estrogen response to target genes. 3) Potentially new target genes regulated by estrogen in vivo were analysed using hearts of ovarectomised animals as well as ovarectomised animals treated with estrogen. Analyses of cDNA microarray filters containing 1250 known genes identified 24 genes that were modified by estrogen in vivo. Among these genes, some might have potentially important functions in the heart and further analyses of these genes will create a more global picture of the role and function of estrogen in the myocardium. Taken together, the results showed that estrogen does have a direct action on the myocardium both by regulating the expression of myocardial specific genes in vivo, as well as exerting rapid non-nuclear effects in cardiac myocytes. It was shown that SREs in the promoter region of genes can confer an estrogen response to genes identifying SREs as important elements in regulation of genes by estrogen. Furthermore, 24 potentially new estrogen targets were identified in the myocardium, contributing to the general understanding of estrogen action in the myocardium. / Kardiovaskuläre Erkrankungen gehören zu den häufigsten Todesursachen in westlichen Ländern. Vor den Wechseljahren besteht für Frauen ein geringeres Risiko, Herzerkrankungen zu entwickeln als für gleichaltrige Männer. Nach dem Eintritt der Menopause sind diese geschlechtsspezifischen Unterschiede aufgehoben, da sich das Risiko bei Frauen erhöht. Dies deutet darauf hin, dass Östrogene kardioprotektiv wirken. Bislang konzentrierten sich sowohl Forschung als auch klinische Studien hauptsächlich auf das vaskuläre System, so dass wenig über die Rolle von Östrogenen im Myokard bekannt ist. Zwar wurde gezeigt, dass funktionelle Östrogenrezeptoren (alpha- und beta-Form) in Herzmuskelzellen exprimiert werden, ihre genaue Funktion im Myokard ist jedoch noch ungeklärt. Dies lieferte den Ansatzpunkt für die vorliegende Arbeit, die sich mit der Rolle von Östrogenen im Myokard beschäftigte. Dazu wurde 1) der Einfluss der Östrogene auf die Genexpression im Myokard sowohl in vivo mit Hilfe eines Tiermodells für Herzhypertrophie, der spontan hypertensiven Ratte (SHR), als auch in vitro an isolierten neonatalen Kardiomyozyten untersucht. 2) Weiterhin wurde der Mechanismus der schnellen Geninduktion durch Östrogene mit Hilfe eines bereits identifizierten östrogenresponsiven Gens, dem ?Early growth response gene-1? (Egr-1), analysiert. 3) Gleichzeitig wurden erste Versuche zur Identifizierung bislang unbekannter Östrogenzielgene im Myokard eingeleitet. 1) Die Beeinflussung der myokardiale Genexpression wurde an Hand eines myokardial spezifischen kontraktilen Proteins, der alpha-Myosinschwerkette (alpha-MHC), untersucht. Östrogensubstitution in ovarektomierten Ratten induzierte alpha-MHC sowohl auf mRNA- als auch auf Protein-Ebene in einer spezifisch durch Östrogenrezeptoren vermittelten Weise. In isolierten Kardiomyozyten konnten diese in vivo Ergebnisse bestätigt werden, indem gezeigt wurde, dass Östrogene direkt auf die Herzmuskelzellen wirken und die alpha-MHC-Expression induzieren. Weiterhin wurde die Östrogenrezeptor-abhängige Induktion des alpha-MHC-Promotors durch Östrogene nachgewiesen. Untersuchungen zu dem Mechanismus dieser Induktion identifizierten Egr-1 als potentiellen Transkriptionsfaktor, der durch Östrogene induziert wird und so die alpha-MHC-Induktion vermittelt. 2) Es wurde bereits in einer früheren Arbeit nachgewiesen, dass Egr-1 durch Östrogene in Kardiomyozyten induziert wird. Diese schnelle Induktion wird durch serumresponsive Elemente (SREs), nicht aber durch die östrogenresponsiven Elemente (EREs) im Egr-1 Promotor vermittelt. Zur Untersuchung des Mechanismus dieser schnellen Induktion konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Östrogenbehandlung die Bindung von SRF (serum response factor) an die SREs im Egr-1 Promoter auslöst. Ebenso wurde ein künstlicher Promotor aus 5 SREs des c-fos Promotors durch Östrogene induziert. Diese Induktion fand in einer spezifisch Östrogenrezeptor-vermittelten Weise statt. Damit konnten SREs neben EREs und AP-1 als Promoterelemente identifiziert werden, die eine wichtige Rolle bei der östrogenabhängigen Induktion von Zielgenen spielen. 3) Ein Ansatz zur Identifizierung neuer potentieller Östrogenzielgene im Myokard wurde etabliert. Mit Hilfe der Microarray-Technik wurde die Genexpression in Herzen von ovarektomierten, östrogenbehandelten Tieren mit unbehandelten Tieren verglichen. Durch die Verwendung von cDNA Mikroarray-Membranen mit 1250 cDNAs bekannter Rattengene wurden 24 Gene identifiziert, deren Expression möglicherweise durch Östrogene im Herzen beeinflusst werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit ist es somit gelungen zu zeigen, dass Östrogene eine direkte Wirkung auf das Myokard haben, indem sie die Expression des wichtigen kontraktilen Proteins a-MHC beeinflussen. Daneben vermitteln Östrogene auch schnelle nicht-genomische Geninduktionen via SREs. Zusätzlich wurden 24 potentiell neue Östrogenzielgene im Myokard identifiziert, was zu dem allgemeinen Verständnis der Östrogenwirkung im Myokard beiträgt.

Diese Arbeit zeigt, dass die spezifische Inhibition der neuronalen NO-Synthase zu einer Reduktion der myokardialen Ökonomie führt. Umgekehrt lässt sich postulieren, dass die Produktion von Stickstoffmonoxid durch die nNOS eine gesteigerte Effizienz des Herzmuskelgewebes bewirkt. / This study shows that specific inhibition of neuronal NO synthase leads to a reduction of myokardial efficiency. Vice versa one can postulate that the production of nitric oxide by nNOS improves the efficiency of the myokardium.

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2005 / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format. - Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005

Freie Universiẗat, Diss., 2005--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format. Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Thesis (doctoral)--Giessen, 1982.

Würzburg, Univ., Diss., 2002.

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, eine genauere Erkenntnis über die derzeitigen Möglichkeiten der quantitativen Messung der myokardiale Perfusion im Hinblick auf die Beschreibung verschiedener myokardialer Infarkte mittels kardialer MRT zu gewinnen. Die Untersuchungen zur Perfusion im Infarktgebiet ergaben, dass ein visuell festgestellter subendokardialer Infarkt an Hand der Bestimmung der absoluten Perfusion nicht immer nachvollzogen werden konnte. Ein Zusammenhang zwischen dem Auftreten eines no-reflow im Late Enhancement und der Höhe der absoluten Perfusion im Infarktgebiet konnte nicht gezeigt werden. Die Untersuchungen zur Perfusion im Remote Myokard ergaben keinen Zusammenhang zwischen der Perfusion im Remote Myokard und dem transmuralen Ausmaß des no-reflow-Phänomens in der First Pass Perfusion. Auch korrelierte die Perfusion im Remote Myokard nicht mit dem Auftreten eines no-reflow Phänomens im Late Enhancement. Die Perfusion im Remote Myokard unterschied sich zwischen transmuralen und nicht-transmuralen Infarkten. Eine Hyperperfusion im Remote Myokard konnte erst ab einer Infarktausdehnung von 75% im Late Enhancement beobachtet werden, während eine Hypoperfusion im Remote Myokard bei allen Infarktausdehnungen zwischen 0% und 100% auftrat. Die Untersuchungen zur Perfusion bei Vorliegen eines transmuralen Infarktes“ ergaben eine signifikante Korrelation der Perfusionen in Infarktgebiet und Remote Myokard bei transmuralem Infarkten. Die Ergebnisse zur Messung der Perfusion in Abhängigkeit von der relativen Infarktgröße wiesen keinen Zusammenhang zwischen der Perfusion im Infarktgebiet und der relativen Infarktgröße auf. Ebenso konnte keine Beziehung zwischen der Perfusion im Remote Myokard und der relativen Infarktgröße dargelegt werden. Letztendlich wurde das Verhalten der quantitativen Perfusion im Infarktgebiet und im Remote Myokard in Abhängigkeit von der Zeit nach Infarktereignis untersucht. Dabei zeigte sich kein Zusammenhang zwischen dem Auftreten eines no-reflow im Late Enhancement und der Entwicklung der Perfusion im Infarktgebiet zwischen der Erst- und der Spätuntersuchung. Ebenso war kein Zusammenhang zwischen dem Auftreten eines no-reflow im Late Enhancement und der Entwicklung der Perfusion im Remote Myokard zwischen der Erst- und der Spätuntersuchung erkennbar. Die kardiale MRT ist aufgrund der gleichzeitigen Analyse von morphologischen, funktionellen, quantitativen und metabolischen Parametern in einem Untersuchungsgang ein erfolgversprechendes Bildgebungsverfahren der Zukunft, da sie nicht invasiv ist, ohne Einsatz von Röntgenstrahlung auskommt und dabei eine gute räumliche Auflösung bei hohem Gewebekontrast bietet. Studien zeigen, dass die Kombination von Stress-Perfusion und Late-Technik in einem MRT-Protokoll eine höhere Genauigkeit als die Verwendung der SPECT-Untersuchung in der klinischen Beurteilung von Koronargefäßstenosen und im Nachweis subendokardialer Infarkte aufweist. 62 Allerdings erfährt die in vorliegender Arbeit verwendete Technik der Datenverarbeitung in dieser Form ohne Zweifel noch ihre Limitation im klinischen Alltag. Grundsätzlich ist zu sagen, dass die Messung der absoluten Perfusion im Myokard mit der MRT des Herzens zurzeit sicherlich noch nicht ausgereift ist. Dennoch lassen die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse und die viel versprechende Weiterentwicklung in der magnetresonanztomographischen Bildgebung weit reichende und interessante Möglichkeiten erahnen. / The aim of this work was to provide a more precise knowledge of the current possibilities for the quantitative measurement of myocardial perfusion in terms of the description of various myocardial infarcts using cardiac MRI. The analysis regarding the determination of a subendokardial infarction using the absolute perfusion in this area showed that the location of the infarction could not always been reproduced. A correlation between the occurrence of a no-reflow in Late Enhancement and the level of absolute perfusion in the area of infarction could not be shown. The analysis on the remote myocardial perfusion showed no coherence between myocardial perfusion in remote and the transmural extent of the no-reflow phenomenon in First-pass perfusion. Also the myocardial perfusion in remote myocardium did not correlate with the occurrence of a no-reflow phenomenon in Late Enhancement. The perfusion in remote myocardium differed between transmural and non-transmural infarctions. A hyperperfusion in remote myocardium was only seen with an extent of infarction of 75% and more in Late Enhancement while a hypoperfusion in remote myocardium occured with all infarction extents between 0% and 100%. The analysis regarding the perfusion when there was a transmural infarction showed a significant correlation of the perfusions in the area of infarcation and the remote myocardium. The results for the measurement of perfusion depending on the relative size of the infarction showed no coherence between the perfusion in the area of the infarction and relative size of it. Also there was no way of showing coherence between the myocardial perfusion in remote myocardium and the relative size of the infarction. Finally the behaviour of quantitative perfusion in the area of infarction and in the remote myocardium was investigated. The results showed no coherence between the occurrence of a no-reflow phenomenon in late enhancement and the development of the perfusion in the area of infarction between the first and the late data ascertainment. Also there was no coherence between the occurrence of a no-reflow in late enhancement and the development of the remote myocardium perfusion in between the first and the late data ascertainment. The cardiac MRI is due to the simultaneous analysis of morphological, functional, quantitative and metabolic parameters during one single investigation a promising imaging procedure of the future, because it is not invasive, without the use of X-rays and requires a good spatial resolution with high tissue contrast. Studies show that the combination of stress perfusion and late-MRI technique provide a higher accuracy in the clinical evaluation of coronary stenosis and subendocardial infarctions than the single use of the SPECT- technique. Without doubt the way of processing data used in this work still comes to its limits in everyday work and the technique of receiving data of the myocardial perfusion using cardiac MRI must still be developed. Nevertheless the results presented in this work and the promising progresses in the field of MRI imaging give a hint to the interesting and far reaching possibilities that are to come.