Herzmuskelschwäche (Herzinsuffizienz) ist in industralisierten Ländern neben malignen Erkrankungen noch immer die zweithäufigste Todesursache. Das Zusammenspiel der zu einer Herzmuskelschwäche führenden, molekularen Signalwege und die zugrunde liegenden Mechanismen sind trotz intensiver Forschung bisher noch weitgehend unverstanden. Ein detailierteres Verständnis der Entstehung einer Herzinsuffizienz könnte somit entscheidend zur Entwicklung innovativer Therapiestrategien beitragen. Mit Hilfe eines cDNA Expressions Arrays wurde die differentielle Genexpression in einem murinen Herzinsuffizienzmodell untersucht. Die Cysteinprotease Caspase-1 ist eines der in diesem Array identifizierten Kandidatengene. Die verstärkte Expression der Caspase-1 konnte zunächst sowohl für die murine als auch die humane Herzinsuffizienz verifiziert werden. Caspasen werden klassischerweise, ihrer Funktion entsprechend, in proinflammatorische und proapoptotische Caspasen unterteilt. In der Literatur ist Caspase-1 als ein über die Generierung von aktivem IL-1? und IL-18 wirkender, proinflammatorischer Mediator beschrieben. IL-? und IL-18 sind proinflammatorische Zytokine und als solche zentrale Mediatoren bei entzündlichen Prozessen. Während die Funktion der proapoptotischen Caspasen bei Herzmuskelschwäche weitgehend bekannt ist, ist unklar, welche Bedeutung der verstärkten kardialen Expression der Caspase-1 bei der Entstehung und Progression der Herzmuskelschwäche zukommt. Zur funktionellen Analyse der verstärkten Expression der Caspase-1 in vivo wurde die Caspase-1 in einem transgenen Mausmodell kardial überexprimiert. Herzen mit verstärkter Expression der Caspase-1 entwickelten ab dem vierten Lebensmonat morphologische und funktionelle Veränderungen, die charakteristisch für eine angehende Herzinsuffizienz sind. Dennoch war, trotz progressiver Kardiomyozytenhypertrophie und Myokardfibrose, zu keinem Zeitpunkt des untersuchten Zeitraumes (ein bis vierzehn Monate alt) eine Zunahme des Ventrikelgewichtes evident. Die funktionelle Analyse der Herzfunktion von neun Monate alten Caspase-1-transgenen Mäusen zeigte eine signifikante Einschränkung der Linksherzkontraktilität. Diese Herzinsuffizienz war schließlich auch makroskopisch an einer starken Linksherzdilatation als auch an einer Reduktion der linksventrikulären Wandstärke erkennbar. Ist die Induktion einer Herzinsuffizienz durch Caspase-1 als proinflammatorischer Mediator im Herzen zu erklären? In einer Reihe von Versuchen konnten keine Hinweise auf eine Induktion inflammatorischer Prozesse durch kardiale Caspase-1 festgestellt werden. Weder eine verstärkte Bildung der proinflammatorischen Zytokine IL-1? und IL-18, noch eine vermehrte Infiltration von Entzündungszellen oder eine verstärkte Proteinexpression weiterer Zytokine waren detektierbar. Ferner waren der oxidative Stresstatus und der nekrotische Gewebeuntergang im linksventrikulären Myokard Caspase-1-transgener Mäuse unverändert. Doch besonders im Herzmuskelgewebe junger Caspase-1-transgener Mäuse zeigte sich eine deutliche, mit fortschreitendem Alter bestehende Zunahme des apoptotischen Zelltods von Herzmuskelzellen. Diese direkte, proapoptotische Wirkung der kardialen Caspase-1 konnte ebenfalls in isolierten Kardiomyozyten von Caspase-1-transgenen Mäusen ex vivo und in vitro, nach adenoviraler Infektion von neonatalen Rattenkardiomyozyten (NRCM) mit Caspase-1, demonstriert werden. Durch Infektion von NRCM mit dem Caspase-1-exprimierenden Adenovirus (Adv-Casp-1) konnte eine selektive Aktivierung des intrinsischen apoptotischen Signaltransduktionsweges durch Caspase-1 nachgewiesen werden. Ist die endogen exprimierte Caspase-1 ein westenlicher Regulator kardialer Apoptose? In dem Kardiomyozytenapoptose-induzierenden Schädigungsmodell der Ischämie/Reperfusion waren die Caspase-1-defizienten Mäuse durch eine Reduktion der Kardiomyozytenapoptose um nahezu 75% gegenüber der Kontrollgruppe deutlich begünstigt. Des Weiteren zeigte die Ausschaltung der endogenen Caspase-1 in dem Herzinsuffizienzmodell des operativen Herzinfarkts eine deutliche Verminderung der reaktiven Kardiomyozytenhypertrophie und eine geringere Einschränkung der Herzkontraktilität. Diese Verbesserung des kardialen Phänotyps spiegelte sich ferner in einer reduzierten Sterblichkeit gegenüber der Kontrollgruppe wieder. Eine Inhibition der Caspase-1 stellt somit ein interessantes therapeutisches Target zur Prävention der Entwicklung einer Herzinsuffizienz dar. / To date, heart failure is still, besides malignant diseases, one of the most frequent causes of death in industrialized countries. Despite intensive research progress, the interplay of molecular signaling pathways and the underlying mechanisms leading to heart failure are still poorly understood. However, more detailed insights in the development of heart failure are essential to develope novel therapeutic strategies. A cDNA-array was performed to identify differentially expressed genes in a murine heart failure model. Thereby, the cystein protease caspase-1 was identified as a novel potential target gene for heart failure development. First, the increased expression of caspase-1 was confirmed for murine and human heart failure. Accordingly to their function, caspases are traditionally divided into proinflammatory and proapoptotic caspases. Due to the generation of active IL-1? and IL-18, caspase-1 has been described as a potent proinflammatory mediator. The proinflammatory cytokines IL-1? and IL-18 are central mediators during inflammatory processes. While the function of the proapoptotic caspases during heart failure has been intensively studied, the role of caspase-1 during the development and progession of heart failure is unknown. To study the functional effect of an increased caspase-1 expression in vivo, transgenic mice with cardiac specific expression of caspase-1 were generated. From four month onwards, hearts with increased transgenic expression of caspase-1 displayed morphological and functional changes characteristic for heart failure. Despite progressive cardiomyocyte hypertrophy and myocardial fibrosis, the ventricular weight was not increased at any age studied (one to fourteen months old). The analysis of cardiac function revealed a significant impairment of left ventricular contractility at nine months of age. Finally, the manifest heart failure was also seen in a massive dilatation of the left ventricle and a reduced left ventricular wall thickness. Is the induction of heart failure originating from caspase-1 being a proinflammatory mediator in the heart? In a set of experiments, no indices for a induction of proinflammatory processes via cardiac caspase-1 were seen. Neither increased formation of the proinflammatory cytokines IL-1? and IL-18 nor enhanced infiltration of inflammatory cells nor increased production of other cytokines was detectable. Moreover, there were no signs for a raised oxidative stress and necrotic cell death in left ventricular tissue of caspase-1-transgenic mice. Heart sections of young caspase-1-transgenic mice in particular, displayed a pronounced and robust increase in cardiomyocyte apoptosis that was persistent at all ages studied. The direct proapoptotic effect of cardiac caspase-1 was corroborated by assessing apoptosis in isolated caspase-1-transgenic cardiomyocytes ex vivo and by further in vitro experiments with neonatal rat cardiomyocytes (NRCM). Moreover, adenovirally expressed caspase-1 in NRCM induced a selective activation of the intrinsic apoptotic signaling pathway. Can the proapoptotic function of overexpressed caspase-1 also be seen for the endogenous caspase-1? Caspase-1-deficient mice were protected from ischemia-reperfusion induced cardiomyocyte apoptosis by almost 75%, as compared to the corresponding wild-type control group. In the setting of heart failure after myocardial infarction, the deletion of endogenous caspase-1 significantly ameliorated reactive hypertrophic growth of cardiac myocytes and partly preserved cardiac contractility. Furthermore, the improved cardiac phenotype was reflected in a reduced mortality of caspase-1-deficient mice after myocardial infarction. To conclude, the inhibition of caspase-1 represents a potential therapeutic strategy to inhibit development and progression of heart failure.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:2222 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Merkle, Sabine |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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