Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2009

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

In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Gruppen von humanen Myokardproben aus dem interventrikulären Septum mittels elektrophoretischer Verfahren auf Veränderungen in der Zusammensetzung der kontraktilen Proteine untersucht. 6 der insgesamt 38 Proben stammten von gesunden Herzen, die aus technischen Gründen nicht transplantiert werden konnten. 19 der Proben stammten von Patienten, die an einer hypertrophischen-obstruktiven Kardiomyopathie (HOCM) litten und die restlichen 13 Proben von Patienten mit einer valvulären Aortenstenose (AS). Die 32 kranken Herzen befanden sich allesamt im Stadium der kompensierten Hypertrophie, an klinischen Daten waren von diesen Patienten die Ejektionsfraktion (EF), der Durchmesser des interventrikulären Septums (IVS) sowie die linksventrikuläre enddiastolische Füllungsdruck (LVEDP). Die Ejektionsfraktion lag bei allen diesen Patienten mit Werten zwischen 62% und 88% (Mittelwert 73 ± 7%) im Normbereich, zwischen der HOCM- und der Aortenstenosegruppe bestand kein signifikanter Unterschied. Die insgesamt 38 Gewebeproben wurden mittels 3 verschiedener elektrophoretischer Verfahren auf das Vorliegen von 3 verschiedener Veränderungen in der Proteinzusammensetzung untersucht: 1. Mittels 2-dimensionaler Polyacrylamidgel-Elektrophorese (2D-PAGE) wurde der Phosphorylierungsgrad des kardialen Troponin I (cTnI) bestimmt. 2. Mittels 2-dimensionaler Polyacrylamidgel-Elektrophorese (2D-PAGE) wurde eine Analyse der leichten Myosinketten (MLC) durchgeführt, vor allem im Hinblick auf die Frage, ob und inwieweit es zu einer Expression der atrialen leichten Kette vom Typ I (ALC-1) kommt . 3. Mittels Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgel-Elektrophorese (SDS-PAGE) wurde eine Bestimmung der schweren Myosinketten (MHC) vorgenommen, vor allem im Hinblick auf die Frage, ob es im hypertrophierten Myokard zu einer Expression der α-Isoform der schweren Myosinkette (α-MHC) kommt. Für alle dieser drei oben genannten Veränderungen finden sich Hinweise in der Literatur, dass sie möglicherweise eine Rolle bei der Myokardhypertrophie spielen könnten ohne dass bislang eine abschließende Klärung möglich war. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal ein derartig großes, klinisch gut evaluiertes Probenkollektiv von menschlichen Herzen im Stadium der kompensierten Hypertrophie auf das Vorliegen der o.g. Veränderungen untersucht. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Vorliegen von zwei verschiedenen Ursachen (Aortenstenose und hypertrophisch-obstruktive Kardiomyopathie) für die Herzhypertrophie im Probenkollektiv dieser Arbeit. In der Zusammensetzung der schweren Myosinketten (MHC) sowie im Phosphorylierungsgrad des kardialen Troponin I (cTnI) konnten in dieser Arbeit keine signifikanten Unterschiede zwischen dem hypertrophiertem und dem gesunden Myokard gefunden werden. Im Bereich der leichten Myosinketten (MLC) konnte jedoch nachgewiesen werden, dass es in den hypertrophierten Herzen zu einer deutlichen, signifikanten Expression der atrialen leichten Myosinkette (ALC-1) in der Größenordnung von 10,8 ± 1,5 % an der Gesamtmenge der leichten Myosinketten vom Typ 1 (MLC-1) gekommen war. Im Gegensatz hierzu konnte die atriale leichte Kette vom Typ 1 (ALC-1) in keinem der gesunden Herzen nachgewiesen werden. Zudem konnte eine statistische hochsignifikante positive Korrelation (Koeffizient 0,56 nach Pearson) zwischen der Höhe der Ejektionsfraktion und dem Anteil der ALC-1 an der Gesamtmenge der leichten Myosinketten ermittelt werden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der Expression der ALC-1 ein hoher Stellenwert bei der Anpassung an erhöhte hämodynamische Anforderungen zukommt. Die positive Korrelation zwischen der Höhe der ALC-1-Expression und der Ejektionsfraktion weisen daraufhin, dass der ALC-1-Expression zumindest im Rahmen der kompensierten Hypertrophie ein positiver Effekt auf das Myokard zukommt. Dieser Effekt lässt sich anhand von früheren Veröffentlichungen erklären, die z.B. zeigten, dass die ALC-1 über eine Erhöhung der Ablösungsgeschwindigkeit zu einer Beschleunigung des Querbrückenzyklus und zu einer Erhöhung der Verkürzungsgeschwindigkeit und der isometrischen Kraftentwicklung führt. / To assess changes in the composition of contractile proteins we examined human myocardial samples from three different groups by means of electrophoretic analysis. 6 of 38 samples in total have been taken from healthy hearts which could not be transplanted due to technical reasons. 19 of the samples are from patients suffering from hypertophic obstructive cardiomyopathy and the remaining 13 samples from patients with a valvular aortic stenosis. The 32 impaired hearts have all been in the stadium of compensated hypertrophy, the ejection fraction, the diameter of the interventricular septum and the leftventricular enddiastolic pressure were kown. In all patients the ejection fraction was between 62% and 88% (73 ± 7% in the mean), thus in the normal range, there was no significant difference between the hypertrophic obstructive group and the valvular aortic stenosis group. All of the 38 samples have been examined by means of 3 different electrophoretical procedures. 1. 2-dimensional polyacrylamide gelelectrophoresis (2D-PAGE) for assessing the level of phosphorylation of the cardial troponin I(cTnI) 2. 2-dimensional polyacrylamidegelelectrophoresis (2D-PAGE) for analysing the composition of the myosin light chains (MLC)to answer the question whether there is an reexpression of the atrial light chain 1 (ALC-1) and if, to which extent. 3. Sodiumdodecylsulfate polyacrylamide gelelectrophoresis (SDS-PAGE) to assess the composition of the myosin heavy chains to answer the question whether there is an expression of the α-Isoform of the myosin heavy chain (α-MHC)in the hypertrophic myocardium. There are hints in literature that all 3 changes mentioned above could play a role in myocardial hypertrophy but it has not been possible to definitely clarify the role. We have analysed for the first time a great number of clinically well evaluated samples from hypertrophic human hearts in the stadium of compensated hypertrophy regarding those changes. Another important aspect of our work is that in our samples the cause of the hypertrophy have been two pathogenetically different diseases (valvular aortic stenosis and hypertrophic obstructive cardiomyopathy). We could not find any significant differences between the hypertrophic and the nonhypertrophic hearts regarding the level of phosphorylation of the cardial troponin I (cTnI). We proved that in the hypertrophic heart there is a significant expression of the atrial light chain 1 (ALC-1) of about 10,8 ± 1,5 % of the total amount of myosin light chain 1 (MLC-1). In contrast to that there was no atrial light chain 1 (ALC-1) found in the nonhypertrophic hearts. Statistically there is a highly significant correlation (coefficient 0,56 after Pearson) between the level of the ejection fraction and the amount of the atrial light chain 1 (ALC-1) compared to the myosin light chain 1 (MLC-1) in total. These results suggest a highly important role of the ALC-1 expression in the adjustment of the heart to increased hemodynamic demands. The positive correlation between the level of the ALC-1 expression and the level of the ejection fraction suggests a positive effect of the ALC-1 expression on the myocardium during compensated hypertrophy. This effect can be explained by former publications which have shown that the expression of the ALC-1 can lead to an increased speed of displacement hence to an increased shortening velocity and an increased isometric force generation.

Einführung M. Fabry ist eine x-chromosomal vererbte Enzymmangelerkrankung und führt zu progressiver Niereninsuffizienz und hypertropher Kardiomyopathie. Ziel dieser Studie war die Analyse der kardialen Veränderungen im Rahmen der Erkrankung und unter Enzymersatztherapie (ERT) mittels kontrastmittelgestützter Magnetresonanztomographie (MRT). Material und Methoden 25 Patienten (4 Frauen, Alter 18-55 Jahre) mit genetisch bestätigtem M. Fabry wurden vor und nach 12 Monaten ERT mit Fabrazyme® untersucht. Es erfolgte eine umfassende Analyse morphologischer und funktioneller Parameter des linken Ventrikels (LV) mit Fokussierung auf regionale Wandveränderungen sowie Late Enhancement (LE). Eine Gruppe von 43 gesunden Probanden diente als Kontrollgruppe. Ergebnisse Vor Therpiebeginn war bei 50% aller Patienten eine LV Hypertrophie mit erhöhter enddiastolischen Wanddicke (EDWT) nachweisbar. Die ERT führte zu einer Reduktion der EDWT und der LV Masse um 3,6 bis 10,3% innerhalb von 12 Monaten. Die initial erhöhten LV Volumina nahmen ebenfalls unter Therapie ab. Männliche Patienten wiesen eine eingeschränkte Ejektionsfraktion (EF) auf als Zeichen einer globalen Herzinsuffizienz, welche sich unter Therapie signifikant verbesserte. Die segmentale Analyse der systolischen Wanddickenzunahme (WT) zeigte teils ausgedehnte Wandbewegungsstörungen und eine Verbesserung der Kontraktilität unter ERT. Letztere war am stärksten ausgeprägt, wenn kein LE vorhanden war. Ein LE in der LV Seitenwand ist charakteristisch für M. Fabry und konnte bei 11 von 21 männlichen Patienten nachgewiesen werden mit einem Volumen von durchschnittlich 1,9 ± 1,8% der LV Masse. Das Ausmaß nahm häufig unter Therapie noch zu, es kam zu keiner Reduktion. Allerdings wurde auch kein Neuauftreten beobachtet. Frauen waren nicht betroffen. Das Alter LE-positiver Patienten lag etwa 10 Jahre über dem LE-negativer Patienten. Im Frauenkollektiv war die LV Hypertrophie geringer ausgeprägt als bei männlichen Patienten, lag aber dennoch über dem Normwert. Zwar war der Schweregrad der segmentalen Hypertrophie geringer, aber die regionale Verteilung war dennoch ähnlich der bei männlichen Patienten und blieb unter ERT auf hohem Niveau konstant. Auch die regionale Kontraktilität war mäßig beeinträchtigt und durchaus vergleichbar mit dem Ausmaß der Wandbewegungsstörungen bei LE-negativen männlichen Patienten. Bei Frauen war keine globale LV Insuffizienz nachweisbar. Dennoch belegen die erhöhte LV Wanddicke und segmentale Hypokinesien eine messbare kardiale Beeinträchtigung durch M. Fabry auch bei heterozygoten Patienten. Fazit Insgesamt erwies sich die MRT des Herzens als ideales Instrument zur strahlungsfreien Überwachung von Fabry Patienten unter ERT. So können bereits diskrete und regional beschränkte Veränderungen mit hoher Reliabilität diagnostiziert werden, auch in Regionen, die der Echokardiographie nur schwer zugänglich sind. Die LV Masse ist bereits in frühen Krankheitsstadien erhöht und korreliert gut mit der allgemeinen Erkrankungsschwere. Desweiteren impliziert die enge Verknüpfung zwischen Hypertrophie, erhöhten LV Volumina, Wandbewegungsstörungen und letztenendes globaler Herzinsuffizienz, dass die LV Hypertrophie einen wichtigen und früh sichtbaren Risikofaktor darstellt. Das LE als Zeichen der myokardialen Fibrose in späten Erkrankungsstadien ist irreversibel, ebenfalls eng verbunden mit der kardialen Funktion und scheint ein weiterer Risikofaktor zu sein für ein vermindertes Therapieansprechen. Mit dem Auftreten eines LE und zunehmenden LE-Scores erhöht sich die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer LV Hypertrophie und von Wandbewegungsstörungen. Das Patientenalter hatte keinen offensichtlichen Einfluss auf die Wirkung der ERT. Es gibt jedoch Hinweise auf eine Art „point of no return“, jenseits dessen der Therapieeffekt - zumindest das Herz betreffend - begrenzt zu sein scheint. / Introduction Fabry disease is a x-chromosomal linked storage disorder and presents with renal failure and hypertrophic cardiomyopathy. The purpose of this study was to investigate cardiac alterations and treatment effects in Fabry patients undergoing enzyme replacement therapy (ERT) using contrast enhanced magnetic resonance imaging (MRI). Material and methods 25 patients (4 women, age 18-55 years) with genetically proven Fabry disease were examined prior to and after one year of ERT with Fabrazyme®. The analysis comprised morphologic and functional parameters of the heart with a focus on regional alterations and late enhancement (LE). A group of 43 healthy volunteers served as a control group. Results Before therapy, 50% of all patients presented with left ventricular (LV) hypertrophy and increased endiastolic wall thickness (EDWT). ERT led to a reduction of EDWT and LV mass of about 3.6 to 10.3% during 12 months. Initially increased LV volumes decreased under therapy as well. The ejection fraction (EF) in male patients was restricted as a sign of global heart failure and improved significantly under therapy. A segmental analysis of the systolic wall thickening (WT) revealed partly pronounced wall motion abnormalities declining under therapy. The improvement was most obvious if no LE was detectable. LE in the LV free wall is typical of Fabry disease and was found in 11 of 21 male patients with volumes of about 1.9 ± 1.8% of the LV mass. These volumes often increased significantly under ERT and no lesion reduced. No patient developed a new LE and no women were affected. The average age of patients with LE was about 10 years above that of LE negative patients. LV hypertrophy in female patients was minor to that of male patients but pathologically superior to normal values. Even if the segmental hypertrophy was less pronounced, the regional distribution was still comparable to that of male patients and remained stable on a high level. The regional contractility was also impaired moderately and was throughout comparable to the extent of wall motion abnormalities in LE negative men. No global dysfunction was detected in women. Nevertheless, increased LV wall thickness and segmental hypokinesia demonstrated a significant impairment of the cardiac system even in heterocygous patients. Conclusions After all, cardiac MRI is an ideal instrument for the monitoring of Fabry patients under ERT without radiation, which can detect already minor and regional restricted changes with high reliability and can assess even regions that are hard to examine by echocardiography. LV mass increases already in early stages of disease and correlates well with the severity of disease. Furthermore, the close connection between hypertrophy, increased LV volumes, wall motion abnormalities, and finally global function loss implicates that LV hypertrophy is an important risk factor. LE as a marker of myocardial fibrosis in later stages is irreversible and closely connected to functional cardiac parameters and therefore seems to be another risk factor for a worse outcome after therapy. In the presence of LE and the higher the LE scores, LV hypertrophy and wall motion abnormalities are more likely. The individual age did not influence therapy effects apparently. There are some arguments indicating a kind of ‘point of no return’. Beyond this point, the effects of ERT seemed to be restricted at least regarding the cardiac function.

Die vorliegende Studie zeigt erstmals, dass eine erhöhte Ca2+-Empfindlichkeit der kardialen Myofilamente im Tiermodell einen selbstständigen Risikofaktor bei der Entstehung von Herzrhythmusstörungen darstellt. Dies konnte sowohl für chronische Erhöhung der Ca2+-Empfindlichkeit im Rahmen einer Familiären Hypertrophen Kardiomyopathie (FHK) als auch für eine akute Erhöhung mit Hilfe eines Ca2+-Sensitizers gezeigt werden. Die Ergebnisse der Arbeit bieten so eine mögliche Erklärung für plötzlichen Herztod bei bestimmten Patienten mit FHK. Sie schränken weiterhin den Einsatz von Ca2+-Sensitizern ein. Schließlich beleuchten sie einen bisher kaum untersuchten Aspekt in der Arrhythmogenese von Herzinsuffizienz und nach einem Myokard-Infarkt. Auf zellulärer Ebene findet sich ein veränderter Ca2+-Zyklus mit erniedrigten und verlangsamten Transienten. Diese Veränderungen sind wahrscheinlich eine direkte Konsequenz der erhöhten Bindungsaffinität für Ca2+. Die Myofilamente sind „klebriger“ für Ca2+, während der Systole wird mehr Ca2+ gebunden, während der Diastole hingegen dissoziiert es langsamer. Bei adrenerger Stimulation und schnellen Herzfrequenzen mit entsprechender Verkürzung der Diastole kommt es zu erhöhtem diastolischem [Ca2+]i und zu erhöhten Ca2+-Inhalt des Sarkoplasmatischen Retikulums. Der so veränderte Ca2+-Zyklus führt wahrscheinlich mit Hilfe des Na+/Ca2+-Austauschers zu Veränderungen der Repolarisation des Aktionspotentials. Bei schnellen Herzfrequenzen treten Aktionspotential-Verlängerung, Ca2+-abhängige Nachdepolarisationen und getriggerte Schläge auf. Auf Organ-Ebene findet sich eine verkürzte Refraktärzeit. Damit sind sowohl ein Trigger als auch ein arrhythmogenes Substrat für die beobachteten ventrikulären Arrhythmien gegeben. / The present study shows for the first time that increased Ca2+-sensitity of the cardiac myofilaments is an indepent mechanism in the development of cardiac arrhythmias. This could be shown both for chronically increased Ca2+-sensitity in Familial Hypertrophic Cardiomyopathy (FHC) and for acute drug-induced Ca2+-sensitization. The results provide an explanation for sudden cardiac death in certain patients with FHC. Moreover they limit the use of Ca2+-sensitizers. Furthermore they elucidate new aspects in the arrhythmogenesis of important aquired hearts diseases such as heart failure and myocardial infarction. On the cellular level the Ca2+-cycle is altered, Ca2+-transients show a smaller amplitude and slower rate of decay. These changes are probably a direct consequence of the increased Ca2+-puffering capacity. The myofilaments are “sticky” for Ca2+, durig systole more Ca2+ is bound while the dissociation during diastole is decelerated. With adrenergic stimulation and faster frequencies there is an increased diastolic [Ca2+]i and subsequently an Ca2+-overloading of the Sarcoplasmatic Reticulum. These changes in the Ca2+-cycle cause remodelling of the action potential repolarisation via the Na+-Ca2+-exchanger. At fast frequencies one finds action potential prolongation, Ca2+-dependent afterdepolarisations and triggered activity. On the organ level Ca+-sensitized hearts show a shortened refractory period. Thus there is both trigger and substrate for the observed ventricular arrhytrhmia.

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