Myosin II, das Motorprotein des kardialen Muskels, besteht aus zwei schweren und vier leichten Ketten. Der Hebelarmbereich der schweren Myosinkette (MyHC) enthält das IQ-Konsensus-Motiv für die Bindung der essentiellen leichten Myosinkette (ELC), welche wesentlich für eine normale Kraftentwicklung des Myosinmoleküls ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fünf, mit hypertropher Kardiomyopathie assoziierte, Mutationen im humanen essentiellen ventrikulären leichten Myosinketten (hVLC1)-Gen (MYL3) untersucht (E56G, A57G, E143K, M149V, R154H). Von keiner dieser Mutationen war der Pathomechanismus bekannt. Ziel der Arbeit war es, die Effekte der Mutationen im MYL3-Gen auf Proteinstruktur und Funktion zu untersuchen und daraufhin einen möglichen Pathomechanismus zu formulieren. Dazu erfolgten Strukturanalysen (CD-Spektren, Schmelzkurven, FLIM), Versuche auf Protein- und Zellebene (Protein-Protein-Interaktionsstudien, Sorting Assay) sowie Untersuchungen in vitro (Zell-Verkürzungsmessungen, isoliert perfundierte Herzen nach Langendorff) und in vivo (Echokardiographie) im transgenen Mausmodell. / Myosin II, the motor protein of cardiac muscle, is composed of two heavy chains (MyHC) and four non-covalently linked light chains (MLC). The lever arm of the MyHC contains the IQ motif that binds the essential myosin light chain (ELC), which is necessary for the normal force production of the myosin molecule. Five with HCM associated mutations in the human ventricular essential myosin light chain (hVLC1) -gen (MYL3) were investigated in this study (E56G, A57G, E143K, M149V, R154H). The pathomechanisms of the mutations were not known. Aim of the study was i) to test the hypothesis that mutations in the ventricular essential myosin light chain affect the protein structure, the binding to the IQ motif of MyHC and the force production of the myosin molecule as well as ii) to postulate an accompanying pathomechanism. Structural analyses (circular dichroism, melting curves, fluorescence lifetime imaging microscopy), functional investigations (surface plasmon resonance spectroscopy, sorting assay) and in vivo (echocardiography) and in vitro studies in a transgenic mouse model were performed.

Es wurden die Effekte von Plättchenaktivierendem Faktor (PAF, 1-O-Alkyl-2-azetyl-sn-glyzero-3-phosphocholin) auf intrazelluläre Kalziumkonzentration und Zelllänge isolierter und feldstimulierter Kardiomyozyten der Ratte untersucht. Intrazelluläre Kalziumkonzentration und Zelllänge der feldstimulierten Zellen wurden mittels Laser-Raster-Mikroskopie simultan unter Verwendung des Kalzium-Fluoreszenzfarbstoffes Fluo-3 bestimmt. PAF (0.001nM - 10nM) inhibierte den systolischen Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration zeit- und konzentrationsabhängig. Die maximalen Effekte wurden nach einer Inkubationszeit von 6-8 min beobachtet. Es kam zu 17% (0.001nM), 41% (0.1nM) und 52% (10nM PAF) Reduktion des systolischen Kalziumanstiegs. Zusätzlich konnte eine zeit- und konzentrationsabhängige Verringerung der simultan gemessenen Zellverkürzung nachgewiesen werden. Die Zellverkürzung war nach einer Inkubationszeit von 8 min um 10% (0.001nM), 32% (0.1nM) und 50% (10nM PAF) reduziert. Die Wirkungen von PAF konnten durch den Einsatz des spezifischen PAF-Rezeptorantagonisten WEB 2170 inhibiert werden. Diese Ergebnisse zeigen einen rezeptorvermittelten negativ inotropen Effekt von PAF, hervorgerufen durch eine Verringerung der systolischen intrazellulären Kalziumkonzentration ohne Desensibilisierung der Myofilamente. / We investigated the effects of platelet-activating factor (PAF, 1-O-alkyl-2-acetyl-sn-glycero-3-phosphocholine) on intracellular calciumconcentration and cell length in isolated and field-stimulated rat cardiomyocytes. Intracellular calciumconcentration and cell length of field-stimulated cells were determined simultaneously by confocal laser scan microscopy by using the fluorescent calcium dye Fluo-3. PAF (0.001nM - 10nM) inhibited systolic intracellular calciumconcentration increase in a time- and concentration-dependent manner. Maximal effects were observed after an incubation time of 6-8 min, resulting in a 17% (0.001nM), 41% (0.1nM) and 52% (10nM PAF) inhibiton of systolic calcium increase. A time- and concentration-dependent decrease in simultaneously measured cell shortening also was demonstrated. Cell shortening was inhibited by 10% (0.001nM), 32% (0.1nM) and 50% (10nM PAF) after an incubation time of 8 min. The effects of PAF could be antagonized by the PAF-receptor antagonist WEB 2170. These data demonstrate that PAF receptor-dependently induces a negativ inotropic effect, which is correlated with a decrease in systolic intracellular calciumconcentration and is most likely not due to a decrease in myofilament sensitivity.

No description available.

Introduction: 23 million patients worldwide suffer from heart failure. These patients depend on cardiac research, because cardiac research enables the development of new therapeutic strategies and –targets. In cardiomyocytes, the compartmentalization of cAMP and cGMP depends on many factors. T-tubuli and PDEs are responsible for the division of cells in microdomains in which localized and specific cAMP and cGMP-signaling occurs. The aim of this thesis was to develop a method to answer the open questions that remain about the physiological and pathophysiological significance of cAMP/cGMP compartmentalization. Methods: I used the zebrafish as a model, because the transparency of zebrafish larvae enabled non-invasive fluorescent imaging in cardiomyocytes in the living animal. I cloned the Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensors EPAC1-camps for cAMP and cGi500 for cGMP and injected them into zebrafish fertilized embryos. Then I used the F0 generation for Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-measurements of cAMP and cGMP. Ca2+ is an important downstream mediator of cAMP and cGMP, because Ca2+ regulates cardiac contraction. Therefore, I also cloned the Ca2+ sensor GCaMP6 and used the dye Fluo-4 AM to include intracellular Ca2+ in the imaging. Results: The cloned sensors for cAMP, cGMP and Ca2+ were successfully injected into the zebrafish and showed expression in individual cardiomyocytes. I developed a protocol to mount the living zebrafish embryos and to measure intracellular cAMP and cGMP with FLIM-FRET in vivo with high spatial resolution. I characterized the sensors in their functionality by showing that the sensors react to changes in intracellular concentrations of cAMP and cGMP. The results of this study include evidence that zebrafish have mechanisms that lead to cAMP/cGMP compartmentalization in the absence of T-tubuli, and these mechanisms keep compartmentalization constant even under extreme cAMP or cGMP increasing drug treatment. Furthermore, I imaged intracellular Ca2+ by confocal microscopy and developed a protocol to use Fluo-4 AM for Ca2+ imaging. Conclusion: The method used in this thesis should allow the investigation of subcellular cAMP/cGMP compartmentalization and Ca2+ and to subsequently answer open questions in the field, for example whether a change of cAMP compartmentalization leads to the pathological phenotypes of cardiac disease or if a changed compartmentalization of cAMP in cardiac disease influences Ca2+ concentrations and therefore contraction. Additionally, this method can be used to learn more about cAMP, cGMP und Ca2+ during regeneration in the heart, because the zebrafish cardiomyocytes can regenerate. / Einleitung: Weltweit sind mehr als 23 Millionen unter Herzinsuffizienz leidende Patienten auf die kardiologische Grundlagenforschung angewiesen, da diese die Voraussetzung für eine bessere Versorgung durch adaptierte und neue Behandlungswege schafft. In Kardiomyozyten hängt die Kompartimentierung von cAMP und cGMP von vielen Faktoren ab. T-Tubuli und PDEs werden unter anderem für die Aufteilung der Zellen in Mikrodomänen, in denen lokalisierte und spezifische cAMP- und cGMP-Signalgebung stattfinden kann, verantwortlich gemacht. Das Ziel dieser Arbeit war die Etablierung einer Methode, mithilfe derer offene Fragen bezüglich der physiologischen und insbesondere der pathophysiologischen Relevanz der cAMP- und cGMP Kompartimentierung beantwortet werden können. Methode: Als Modell diente der Zebrafisch, da die Transparenz von Zebrafisch Embryonen eine nicht-invasive Bildgebung von Fluoreszenz in Kardiomyozyten im lebenden Tier ermöglicht. Dafür klonierte ich die Förster Resonance Energy Transfer (FRET) -Sensoren EPAC1-camps als cAMP-Sensor und cGi500 als cGMP-Sensor und injizierte diese in befruchtete Zebrafisch Embryonen. Anschließend benutzte ich die F0-Generation für Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-Messungen von cAMP und cGMP. Da Ca2+ als wichtiger downstream Mediator von cAMP und cGMP die kardiale Kontraktion reguliert, klonierte ich außerdem den Ca2+-Sensor GCaMP6 und benutzte den Farbstoff Fluo-4 AM, um intrazelluläres Ca2+ darzustellen. Ergebnisse: Die klonierten Sensoren für cAMP, cGMP und Ca2+ konnten erfolgreich in den Zebrafisch injiziert werden und zeigten alle Expression in einzelnen Kardiomyozyten. Ich entwickelte ein Protokoll, dass die Fixierung von lebenden Zebrafisch Embryonen und nachfolgender Bildgebung von cAMP und cGMP mit hoher zellulärer Auflösung mit FLIM-FRET in vivo erlaubte. Ich konnte eine funktionelle Charakterisierung der Sensoren durchführen, indem ich zeigte, dass sie auf Konzentrationsänderungen von intrazellulärem cAMP und cGMP reagieren sowie zeigen, dass Zebrafische trotz fehlender T-Tubuli eine signifikante cAMP- und cGMP Kompartimentierung aufweisen, auch unter extremen Bedingungen nach Gabe von cAMP/cGMP stimulierenden Substanzen in hoher Dosierung. Ich konnte zudem subzelluläres Ca2+ durch konfokale Mikroskopie bildgebend darstellen und entwickelte ein Protokoll, um mit Fluo-4 AM eine schnelle Möglichkeit zu haben, Ca2+ mit in die Messungen einzubeziehen. Ausblick: Die in dieser Arbeit benutzte Methode bietet eine gute Möglichkeit, subzelluläre cAMP- und cGMP-Kompartimentierung und Ca2+ zu untersuchen und damit zum Beispiel die Fragen zu beantworten, ob eine veränderte cAMP/cGMP Kompartimentierung zu Herzkrankheiten wie Hypertrophie führt oder ob eine veränderte cAMP Kompartimentierung den zellulären Ca2+ Haushalt und damit die kardiale Kontraktion beeinflusst. Darüber hinaus kann das von mir etablierte Protokoll dazu genutzt werden, mehr über cAMP, cGMP und Ca2+ während der Regeneration im Herzen zu lernen, da der Zebrafisch über ausgeprägte Regenerationsfähigkeiten verfügt.

Während der letzten Jahre zeigten einige Studien, dass die Behandlung mit Knochenmark- Stammzellen (KMSZ) eine vielversprechende neue Therapieoption für den geschädigten Herzmuskel darstellen könnte. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob es unter Behandlung mit Stammzellen zu einer zellulären Antwort in angezüchteten Kardiomyozyten (KMZ) kommt. Dafür wurden subkonfluente Kulturen aus Herzmuskelzellen von neonatalen Ratten für drei Tage mit Vybrant CM-DiI-markierten, sternalen humanen Knochenmarkstammzellen co-kultiviert. Im Anschluss wurden immunohistochemische Färbungen sowie eine quantitative Analyse mittels Western Blot für das Protoonkogen c-Myc durchgeführt. Des Weiteren wurde die Dichte der Beta-Adrenozeptoren unter Anwendung einer Histoautoradiographie mittels [125I]- iodocyanopindolol-Bindung analysiert. Die Auswertung der Immunohistochemie und der Western Blots zeigte eine signifikante Erhöhung der Expression von c-Myc in den Kardiomyozyten, welche in naher Umgebung der Stammzellen lagen. Dieser Effekt war direkt abhängig von der Entfernung der KMZ zur SZ. Die Histoautoradiographie zeigte eine signifikant höhere Beta-Rezeptor-Dichte in Kardiomyozyten in direkter Nähe zur Stammzelle. Mit steigender Entfernung von der Stammzelle verringerte sich die Rezeptordichte. Somit konnte gezeigt werden, dass eine kleine Anzahl von Knochenmark-Stammzellen ausreicht, um eine große Zahl von Kardiomyozyten zu beeinflussen, indem eine intrazelluläre Signalkaskade über c-Myc aktiviert und die Anzahl der Beta-Adrenozeptoren erhöht wird.

Introduction: 23 million patients worldwide suffer from heart failure. These patients depend on cardiac research, because cardiac research enables the development of new therapeutic strategies and –targets. In cardiomyocytes, the compartmentalization of cAMP and cGMP depends on many factors. T-tubuli and PDEs are responsible for the division of cells in microdomains in which localized and specific cAMP and cGMP-signaling occurs. The aim of this thesis was to develop a method to answer the open questions that remain about the physiological and pathophysiological significance of cAMP/cGMP compartmentalization. Methods: I used the zebrafish as a model, because the transparency of zebrafish larvae enabled non-invasive fluorescent imaging in cardiomyocytes in the living animal. I cloned the Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensors EPAC1-camps for cAMP and cGi500 for cGMP and injected them into zebrafish fertilized embryos. Then I used the F0 generation for Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-measurements of cAMP and cGMP. Ca2+ is an important downstream mediator of cAMP and cGMP, because Ca2+ regulates cardiac contraction. Therefore, I also cloned the Ca2+ sensor GCaMP6 and used the dye Fluo-4 AM to include intracellular Ca2+ in the imaging. Results: The cloned sensors for cAMP, cGMP and Ca2+ were successfully injected into the zebrafish and showed expression in individual cardiomyocytes. I developed a protocol to mount the living zebrafish embryos and to measure intracellular cAMP and cGMP with FLIM-FRET in vivo with high spatial resolution. I characterized the sensors in their functionality by showing that the sensors react to changes in intracellular concentrations of cAMP and cGMP. The results of this study include evidence that zebrafish have mechanisms that lead to cAMP/cGMP compartmentalization in the absence of T-tubuli, and these mechanisms keep compartmentalization constant even under extreme cAMP or cGMP increasing drug treatment. Furthermore, I imaged intracellular Ca2+ by confocal microscopy and developed a protocol to use Fluo-4 AM for Ca2+ imaging. Conclusion: The method used in this thesis should allow the investigation of subcellular cAMP/cGMP compartmentalization and Ca2+ and to subsequently answer open questions in the field, for example whether a change of cAMP compartmentalization leads to the pathological phenotypes of cardiac disease or if a changed compartmentalization of cAMP in cardiac disease influences Ca2+ concentrations and therefore contraction. Additionally, this method can be used to learn more about cAMP, cGMP und Ca2+ during regeneration in the heart, because the zebrafish cardiomyocytes can regenerate. / Einleitung: Weltweit sind mehr als 23 Millionen unter Herzinsuffizienz leidende Patienten auf die kardiologische Grundlagenforschung angewiesen, da diese die Voraussetzung für eine bessere Versorgung durch adaptierte und neue Behandlungswege schafft. In Kardiomyozyten hängt die Kompartimentierung von cAMP und cGMP von vielen Faktoren ab. T-Tubuli und PDEs werden unter anderem für die Aufteilung der Zellen in Mikrodomänen, in denen lokalisierte und spezifische cAMP- und cGMP-Signalgebung stattfinden kann, verantwortlich gemacht. Das Ziel dieser Arbeit war die Etablierung einer Methode, mithilfe derer offene Fragen bezüglich der physiologischen und insbesondere der pathophysiologischen Relevanz der cAMP- und cGMP Kompartimentierung beantwortet werden können. Methode: Als Modell diente der Zebrafisch, da die Transparenz von Zebrafisch Embryonen eine nicht-invasive Bildgebung von Fluoreszenz in Kardiomyozyten im lebenden Tier ermöglicht. Dafür klonierte ich die Förster Resonance Energy Transfer (FRET) -Sensoren EPAC1-camps als cAMP-Sensor und cGi500 als cGMP-Sensor und injizierte diese in befruchtete Zebrafisch Embryonen. Anschließend benutzte ich die F0-Generation für Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-Messungen von cAMP und cGMP. Da Ca2+ als wichtiger downstream Mediator von cAMP und cGMP die kardiale Kontraktion reguliert, klonierte ich außerdem den Ca2+-Sensor GCaMP6 und benutzte den Farbstoff Fluo-4 AM, um intrazelluläres Ca2+ darzustellen. Ergebnisse: Die klonierten Sensoren für cAMP, cGMP und Ca2+ konnten erfolgreich in den Zebrafisch injiziert werden und zeigten alle Expression in einzelnen Kardiomyozyten. Ich entwickelte ein Protokoll, dass die Fixierung von lebenden Zebrafisch Embryonen und nachfolgender Bildgebung von cAMP und cGMP mit hoher zellulärer Auflösung mit FLIM-FRET in vivo erlaubte. Ich konnte eine funktionelle Charakterisierung der Sensoren durchführen, indem ich zeigte, dass sie auf Konzentrationsänderungen von intrazellulärem cAMP und cGMP reagieren sowie zeigen, dass Zebrafische trotz fehlender T-Tubuli eine signifikante cAMP- und cGMP Kompartimentierung aufweisen, auch unter extremen Bedingungen nach Gabe von cAMP/cGMP stimulierenden Substanzen in hoher Dosierung. Ich konnte zudem subzelluläres Ca2+ durch konfokale Mikroskopie bildgebend darstellen und entwickelte ein Protokoll, um mit Fluo-4 AM eine schnelle Möglichkeit zu haben, Ca2+ mit in die Messungen einzubeziehen. Ausblick: Die in dieser Arbeit benutzte Methode bietet eine gute Möglichkeit, subzelluläre cAMP- und cGMP-Kompartimentierung und Ca2+ zu untersuchen und damit zum Beispiel die Fragen zu beantworten, ob eine veränderte cAMP/cGMP Kompartimentierung zu Herzkrankheiten wie Hypertrophie führt oder ob eine veränderte cAMP Kompartimentierung den zellulären Ca2+ Haushalt und damit die kardiale Kontraktion beeinflusst. Darüber hinaus kann das von mir etablierte Protokoll dazu genutzt werden, mehr über cAMP, cGMP und Ca2+ während der Regeneration im Herzen zu lernen, da der Zebrafisch über ausgeprägte Regenerationsfähigkeiten verfügt.

After myocardial infarction the innate immune response is pivotal in clearing of tissue debris as well as scar formation, but exaggerated cytokine and chemokine secretion with subsequent leukocyte infiltration also leads to further tissue damage. Here, we address the value of targeting a previously unknown a disintegrin and metalloprotease 10 (ADAM10)/CX3CL1 axis in the regulation of neutrophil recruitment early after MI. We show that myocardial ADAM10 is distinctly upregulated in myocardial biopsies from patients with ischemia-driven cardiomyopathy. Intriguingly, upon MI in mice, pharmacological ADAM10 inhibition as well as genetic cardiomycyte-specific ADAM10 deletion improves survival with markedly enhanced heart function and reduced scar size. Mechanistically, abolished ADAM10-mediated CX3CL1 ectodomain shedding leads to diminished IL-1β-dependent inflammation, reduced neutrophil bone marrow egress as well as myocardial tissue infiltration. Thus, our data shows a conceptual insight into how acute MI induces chemotactic signaling via ectodomain shedding in cardiomyocytes.

Der Herzmuskel muss sich einer dynamischen und sich mechanisch verändernden Umgebung anpassen. Die Mechanosignaltransduktion ermöglicht es Zellen mechanischen Kräfte zu erfassen und durch nachgeschaltete biochemische Signalkaskaden darauf zu reagieren. Obwohl verschiedene Gewebestrukturen und Proteine damit in Verbindung gebracht wurden, wie das Herz die mechanischen Kräfte wahrnimmt, ist unser Verständnis der kardialen Mechanosignaltransduktion unvollständig. Durch Dehnung aktivierte Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle bei der mechanosensitiven Autoregulation des Herzens. Um die funktionelle Rolle von PIEZO1 in Kardiomyozyten zu untersuchen, habe ich daher PIEZO1 in induzierten pluripotenten Stammzellen mittels Genomeditierung deletiert. Die PIEZO1-/- Zellen wurden dann in lebensfähige, herzähnlich schlagende Kardiomyozyten differenziert. In phänotypische Analysen der elektrophysiologischer Eigenschaften, Zellmorphologie und der herzähnlichen Schlagaktivität habe ich den Effekt der PIEZO1-deletion in genomeditierten Kardiomyozyten untersucht. Die Deletion von PIEZO1 zeigte zum ersten Mal, dass es PIEZO1-abhängige dehnungsaktivierte und Kalzium-Ströme in vom Menschen stammenden differenzierten Kardiomyozyten gibt. Dies legt nahe, dass PIEZO1 eine Rolle in der Mechanosignaltransduction in Herzzellen spielt. Darüber hinaus zeigte eine RNA-Sequenz Analyse, dass der Verlust von PIEZO1 in vom Menschen stammenden differenzierten Kardiomyozyten mit der Herunterregulation von Proteinen korreliert, die für die extrazellulärer Matrix von Bedeutung sind. Diese Daten unterstreichen die Rolle von PIEZO1 in Kardiomyozyten und legen seine Bedeutung für die Organisation und Struktur der extrazellulären Matrix nahe. / The cardiac muscle has to adapt in a highly dynamic mechanical environment. Mechanotransduction is the process that allows cells to sense the mechanical forces and respond by downstream biochemical signaling cascades. Although different tissue structures and proteins have been implicated in how the heart senses the mechanical forces, yet our understanding in cardiac mechanotransduction is incomplete. Stretch-activated channels (SACs) have been suggested to play an important role in the mechanosensitive autoregulation of the heart. PIEZO1 is a stretch-activated channel and has been involved in vascularization, erythrocyte volume homeostasis and regulation of the baroreceptor reflex, yet its role in cardiac mechanotransduction has not been described. To study the functional role of PIEZO1 in cardiomyocytes I have generated a PIEZO1 knockout (KO) human induced pluripotent cell (hiPSC) line using genome editing technology. The genome edited cells were then differentiated into viable, beating cardiomyocytes. Different phenotypic analyses were conducted, including the evaluation of electrophysiological characteristics, observation of cell morphology and beating activity of the genome edited hiPSC-derived cardiomyocytes. With this approach the aim was to gain more insight into PIEZO1 function in cardiomyocytes using a reliable, efficient and reproducible human cellular model system. For the first time PIEZO1-dependent calcium transients and stretch-activated currents were observed in hiPSC-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). This proposes a possible role of PIEZO1 as a cardiac mechanotransducer. Furthermore, RNA-seq analysis revealed that loss of PIEZO1 in hiPSC-CMs is associated with downregulation of the expression of extracellular matrix-associated proteins. These data highlight the role of PIEZO1 in cardiomyocytes and suggest its implication in extracellular matrix organization and structure.

1981 entwickelten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer bei IBM in Zürich das "Scanning Tunneling Microscope". Damit wurde erstmalig das lokal hochaufgelöste Erfassen (bis in den atomaren Auflösungsbereich) von Objekteigenschaften im Nahfeld inerter Oberflächen möglich. Dies und insbesondere die Weiterentwicklung der Technologie und die spätere (1986) Etablierung der Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy - AFM), die diese Auflösungsmöglichkeiten der Rastersondenmikroskope auch an Non-Konduktoren (nicht leitende Untersuchungsoberflächen) realisieren konnte, stellte die Geburtsstunde einer neuen mikroskopischen Ära auf dem Gebiet der biomedizinischen Grundlagenforschung dar (Kapitel 1.3). Das Studium der umfangreichen Literaturquellen zu diesem Thema und der direkte wissenschaftliche Kontakt und Erfahrungsaustausch mit anderen AFM- Arbeitsgruppen ließen im Initialstadium dieser vorliegenden Arbeit bereits erkennen, dass in der kardiovaskulären Grundlagenforschung zunehmend rasterkraftmikroskopische Versuchsansätze bearbeitet und kardiologisch interessante Fragestellungen mittels dieser Methode begleitend untersucht wurden (Kapitel 1.4). Das Ziel dieser vorliegenden Arbeit bestand darin, kardiovaskulär relevante Zellen und Einzelproteine in vivo und interventionelle Materialien (Stents) rasterkraftmikroskopisch zu untersuchen, wobei die Etablierung und technisch aufwendige Optimierung dieser neuen mikroskopischen (Kapitel 3.1) und der zellspezifisch präparatorischen Methoden (Kapitel 3.2) an diesen Untersuchungsobjekten im Mittelpunkt stehen sollte. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten endothelialen Zellen und H9C2-Myozyten stammten aus, in unserem Forschungslabor etablierten, immortalen Kulturzelllinien. Die adulten und Kardiomyozyten neonataler Ratten, die kardial- fibrozytären Zellen sowie die Thrombozyten wurden primär isoliert und als Primärkulturzellen kultiviert (Kapitel 3.2.3 und 3.2.4). Außerdem wurden vitale aortale Endothelzellen unterschiedlicher Tiere (Ratte, Meerschwein, Kaninchen) im Gewebsverband der thorakalen Aorta untersucht (Kapitel 4.2). Die Zellen wurden initial, im Rahmen der Etablierungsphase mittels unterschiedlicher Methoden fixiert und nachfolgend rasterkraftmikroskopisch untersucht und dargestellt. Der Etablierungsprozess der Methodik begann mit der Abbildung luftgetrockneter Zellen (Kapitel 4.1.1) unter Raumbedingungen und setzte sich über verschiedene Modifikationen der Zellpräparation (z.B. Glutardialdehydfixation, Cryofixation), des Abbildungsmodus (Contact-, Non-Contact-, Tapping-Mode) und der Abbildungsbedingungen (Raumbedingungen, zellphysiologische Umgebung) fort, so dass schließlich die Abbildung vitaler Zellen (Kapitel 4.1.2 und Kapitel 4.2 - 4.5) in ihrer strukturellen und funktionellen Umgebung (z.B. aortale Endothelzellen im Gewebsverband) etabliert werden konnte und routinemäßig reproduzierbar war. An stabilen oder künstlich stabilisierten Strukturen der o.g. vitalen Zellen wurden erste orientierende Messungen der bioelastischen Eigenschaften (Kraft-Abstands-Kurven, Kapitel 4.1.2.1) durchgeführt. Außerdem haben wir im Einzelfall, wenn technisch und apparativ möglich, andere hochauflösende strukturanalytische Verfahren (z.B. TEM) als mikroskopische Referenzuntersuchungen herangezogen (Kapitel 4.1.2; 4.4.1; 4.6), wobei z.T. erstaunliche Übereinstimmung zwischen den AFM- Daten und den strukturanalytischen Daten der Referenzmethoden nachweisbar waren. Ein strukturell durch Elektronenmikroskopie und Röntgendiffraktionsanalyse sehr gut beschriebenes komplexes Funktionsprotein, das 20-S-Proteasom, wurde mittels der Rasterkraftmikroskopie abgebildet und vermessen und die so gewonnenen strukturanalytischen Daten mit den bekannten strukturellen Abmessungen des Proteins verglichen (Kapitel 4.6). Die hierbei detektierten dimensionalen Abweichungen zwischen den AFM- assoziierten Daten und den bekannten strukturanalytischen Daten der Elektronenmikroskopie wurden im Kontext der funktionellen Integrität des Proteins und hinsichtlich möglicher methodischer Fehlereinflüsse (Kapitel 3.1.4.3) diskutiert. Interventionelle Materialien (Stents), die in der täglichen kardiologischen Praxis Anwendung finden, sind hinsichtlich ihrer Ultrastruktur mittels dieser hochsensitiven Abbildungsmethode im Nahfeld von Objektoberflächen untersucht worden. Bezüglich ihrer nativen Oberflächenbeschaffenheit und ihrer mechanischen Alteration durch den Ballon- Dilatationsprozess wurden die Stents sehr detailliert qualitativ und quantitativ (Kapitel 4.7) beschrieben, wobei Prädilektionsstellen der prozedural- assoziierten mechanischen Beanspruchung der Stents durch die hier beschriebene, oberflächensensitive AFM- Methode sehr genau diskriminiert werden konnten. Die präparierten Stents wurden weiterführend mit humanen Thrombozytenkonzentraten inkubiert und die Zell- Stentoberflächenkontakte sowie mögliche Stentoberflächen- induzierte Veränderungen der Thrombozyten sind morphologisch ausführlich beschrieben worden. Letztendlich wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit die spezifische Aktivierung der vitalen Thrombozyten durch pharmakologische Stimulantien (z.B. ADP) mit der, durch den AFM-Abbildungsprozess induzierten Thrombozytenaktivierung (Kapitel 4.5) unter AFM-Bedingungen verglichen und diskutiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen, dass mit der AFM-Technologie und objektorientiert optimierten Mess- und Präparationsmethoden ein neues mikroskopisches Analyseverfahren vorliegt, dass zum einen real-dreidimensionale morphologische Bildgebung bis in den submolekularen Auflösungsbereich an vitalen Zellen und präparierten Proteinkomplexen, zum anderen aber gleichermaßen Funktionsanalytik in Form von Messungen zelldynamischer Prozesse wie Migrationsbewegungen und Kontraktionen sowie visko- elastische Quantifizierung von Zellmembranen erlaubt. Der Vorteil gegenüber den meisten gegenwärtig verfügbaren mikroskopischen Methoden liegt in der neu eröffneten Möglichkeit der seriellen, wiederholten und stabil reproduzierbaren Messung an vitalen Zellen und zellulären Substrukturen. Insofern könnte in Zukunft diese neue Technologie eine methodische Bereicherung der mikroskopisch-morphologisch und funktionell orientierten Analysetechnik darstellen. / In 1981 Binnig and Rohrer invented the "Scanning Tunneling Microscope". Thereby it became feasible to high-resolution record the surface-properties of specimens (up to atomic resolution) at the nearfield of inert surfaces. This and in detail the further development of this technology and the establishment of "Atomic Force Microscopy" (1986), that allows implementation of this resolution capabilities in non-conductors or insulating materials represent the birth of a new microscopic era in the field of biomedical basic research (chapter 1.3). The promise of atomic (scanning) force microscopy (AFM) for cardiovascular research is enormous. The perusal of the extensive literature concerning this topic and scientific contact with other researchers reveals initial the capabilities of this method in cardiovascular basic research. Intriguing questions of cardiology may investigate concomitantly with help of scanning-force-micoscopic approaches (chapter 1.4). The aim of this study was to investigate relevant cardiovascular cells and single proteins in-vivo and specific materials (coronary artery stents) with scanning-force-micoscopic setup. The establishment and expensive optimization of this new microscopic method (chapter 3.1) and of the cell specific preparatory methods (chapter 3.2) represented the center of interest of our inevestigations. The endothelial cells and H9C2-myocytes stem from established imortal cell culture lines. The adult cardiomyocytes and cardiomyocytes of neonatal rats, the fibrocytes and the thrombocytes were primarily cultivated (chapter 3.2.3 and 3.2.4). In addition we investigated aortic endothelial cells of intact aortic tissue of different animals (rat, guinea pig, rabbit - chapter 4.2). During the establish experiments cells underlied different methods of cell-fixation. The primary investigations was performed using air-dried cells (chapter 4.1.1) analyzed in room ambient conditions and were continued by different modifications of cell-preparation. (e.g. glutardialdehyde-fixation, cryo-fixation), of microscopic mode (contact-, non-contact-, tapping-mode) and of cell-specific environmental conditions (from room ambient to cellphysiological medium and temperature). As result we became enabled to investigate (reproducible and routinely) vital cells (chapter 4.1.2 and chapter 4.2 - 4.5) embedded in physiological normal structural und functional ambient conditions (e.g. endothelial cells of intact aortic tisue in-vivo). Additionally, we performed measurements of bio-elastic properties of stable or artificial stabilized structures of named cells (force-distances-curves - chapter 4.1.2.1). If posibble, depending of available technical equipment, we compared our microscopic results with other high-resolution analytical procedures of reference (e.g. TEM - Kapitel 4.1.2; 4.4.1; 4.6) and detected astonishing congruence between the data. Furthermore we analyzed the well-described (electron-microscopy and x-ray-diffraction data) complex 20-S-proteasome using a specific atomic force microscopic setup. Analytical and structural data of these AFM-scans and abovementioned methods were likened (chapter 4.6). The deviations concerning the detected proportions were discussed regarding functional integrity of the protein and with respect to potential methodically determined artifacts. (chapter 3.1.4.3). Assaying (qualitative and quantitative) the surface roughness properties of coronary artery stents, we found significant alterations of stent material induced by balloondilatation. We suppose, that changes in roughness of inner surface of coronary artery stents might induce clinical problems like acute stent-thrombosis and in-stent-restenosis. Finally these stents were coated with human thromboytes to investigate cell-stent-surface interactions. Surface-roughness correllated triggering of thrombocyte adhesion was evaluated by morphological analysis of AFM-scans. Finishing, we have investigated and concluding discussed the specific activation of vital thrombocytes by pharmacological substances (e.g. ADP) and by mechanical stimulation (due to AFM-associated tip-surface-interaction). The results of this work demonstrate, AFM-technology using optimized microscopic setup and object-specific adjusted measurement- and preparation- methods, is an new, powerful, microscopic technique, that allow real-3-dimensional morphological mapping up to submolecular range of resolution in vital cells and protein complexes. Moreover, this technology opens new dimensions in functional analytic of cell migration processes or cellular contractions and in evaluation of visco-elastic quantification of cell membranes. The advantage owed to the most currently available microscopic methods is the option of serial and reproducible measurement of vital cells and subcellular structures. In this respect, this new method might represent a methodical enrichment of the microscopic-morphological and functional oriented analysis-technique in future.

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