Titel: Dominant Negative Gαs mutant to block detrimental β-AR induced pathological hypertrophy in the heart
Sonstige Titel: Dominant-negative Gαs-Mutante zur Blockade von schädlicher β-AR-Stimulation induzierter pathologischer Hypertrophie des Herzens
Sprache: Englisch
Autor*in: Wiegmann, Robert Peter
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-10-22
Zusammenfassung: 
Die Herzinsuffizienz (HI) ist eine der führenden kardiovaskulären Todesursachen in westlichen Nationen. Für ihre Entstehung stellt die Herzhypertrophie einen maßgeblichen Risikofaktor dar. Eine Verhinderung der Entstehung oder sogar Regress der Herzhypertrophie wirkt sich positiv auf die Morbidität und Mortalität aus. Zur Entstehung von sowohl der kardialen Hypertrophie als auch HI tragen wesentlich neuroendokrine Systeme bei. Eine Reduktion der Pumpfunktion aufgrund von ventrikulärer Beeinträchtigung führt zu einer kompensatorischen Aktivierung neuroendokriner Systeme. Die Stimulation des sympathischen Nervensystems führt über die Aktivierung des heterotrimeren Gαs gekoppelten β-Adrenorezeptors (β-AR) zu einer Zunahme der Pumpfunktion des Herzens. Allerdings wirkt sich eine chronische Stimulation dieses Signalweges direkt toxisch auf den Herzmuskel aus. Sie bewirkt unter anderem pathologisches hypertrophes Wachstum von Herzmuskelzellen und ventrikuläres Remodeling. β-Blocker schützen das Herz vor Überstimulation, zeigen jedoch nicht-kardiale Nebenwirkungen. Eine vollständige kardiomyozyten-spezifische Blockade des β-AR-Signalwegs könnte sich in der HI-Therapie als vorteilhaft erweisen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein dominant negatives Gαs-Protein (DNG), das spezifisch in Kardiomyozyten exprimiert wird, auf die Hemmung der β-AR-Signalkaskade zu untersuchen. Daneben soll weiterhin die Hemmung des hypertrophen Wachstums, induziert durch chronische β-AR-Stimulation, analysiert werden. Hierzu wurde DNG mittels adenoviralen Gentransfers in isolierten adulten ventrikulären Kardiomyozyten der Ratte (ARVCM) exprimiert, um die Funktionalität von DNG zu untersuchen. Die Co-Expression des cAMP FRET-Biosensors Epac1-camps ermöglichte cAMP-Messungen in vitalen ARVCM. Hier konnte eine Hemmung der β-AR-Agonisten-induzierten cAMP-Antwort gezeigt werden. Dies wurde durch eine reduzierte Phosphorylierung des Phospholamban untermauert. Weiterhin konnte ein abgeschwächtes hypertrophes Wachstum als Reaktion auf eine chronische β-AR Stimulation durch halb-automatisierte Messungen der ARVCM Zellmorphologie nachgewiesen werden. In vivo wurde die Kardiomyozyten-spezifische Expression von DNG durch Troponin T gerichteten Gentransfer mittels Adeno-assoziierter Viren (AAV) erzielt. Echokardiographische Untersuchungen von AAV-DNG injizierten Mäusen zeigten eine normale Herzfunktion. Die kardiale Hypertrophie wurde durch chronische β-AR-Stimulation mit implantierten osmotischen Minipumpen induziert. Hier zeigten AAV-DNG-injizierte Mäuse in der Echokardiographie eine reduzierte Hypertrophie und eine abgeschwächte Expression von pathologischen Hypertrophie-assoziierten fetal- und pro-fibrotischen Genen. Signifikante Unterschiede in der Hypertrophie des gesamten Herzens und der Kardiomyozyten-Querschnittsfläche in Gewebeschnitten wurden jedoch nicht beobachtet. Es zeigt sich eine partiell protektive Wirkung durch DNG auf die Hemmung der β-AR-Signalkaskade.

Heart failure (HF) is a major contributor to mortality and health care expenses in developed countries for which cardiac hypertrophy is an important risk factor. Neuroendocrine systems are critically involved in the development of cardiac hypertrophy and subsequent heart failure. Adrenergic stress, a compensatory response to decreased cardiac function, has a positive short-term effect on cardiac output via activation of the Gαs coupled β-adrenoreceptor (β-AR) pathway. However, chronic stimulation of this pathway causes pathological hypertrophy and ventricular remodeling and thereby contributes to the worsening of HF. β-blockers protect the heart from overstimulation but have non-cardiac side effects. Furthermore, a complete cardiomyocyte specific blockage of β-AR signalling might be beneficial in the treatment of HF.
The aim of this thesis is to investigate a dominant negative Gαs protein (DNG) specifically expressed in cardiomyocytes for inhibition of the β-AR signaling cascade and subsequent inhibition of hypertrophic growth to chronic β-AR stimulation. To this end, an adenoviral gene transfer of DNG in isolated adult rat ventricular cardiomyocytes (ARVCM) was pursued to investigate the functionality of DNG. Co-expression of cAMP-FRET biosensor Epac1-camps enabled live cAMP measurements and revealed inhibition of β-AR agonist induced cAMP response. This was substantiated by inhibited phosphorylation of β-AR downstream target phospholamban. Furthermore, attenuated hypertrophic growth in response to chronic β-AR stimulation was shown by semi-automated cell morphology measurements. An in vivo cardiomyocyte-specific expression of DNG was achieved by troponin T directed gene transfer using adeno-associated viruses (AAV). Echocardiographic examination of AAV-DNG injected mice revealed normal heart function. Cardiac hypertrophy was induced by chronic β-AR stimulation with implanted osmotic minipumps. AAV-DNG-injected mice exhibited reduced hypertrophy on echocardiography and attenuated expression of pathological hypertrophy associated fetal and pro-fibrotic genes. However, significant differences in hypertrophy of the whole heart and of cardiomyocyte cross-sectional area in tissue sections were not observed. A partial protective effect of DNG on the inhibition of the β-AR signaling cascade is evident.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9405
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-97810
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Nikolaev, Viacheslav
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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