Babett Bartling

Beteiligung von Proteinen der Bcl-2-Familie an Apoptosevorgängen im kardiovaskulären System

Kumulative Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 22.11.2001

Abstract
Bei chronischer Herzinsuffizienz scheint die Apoptose von Kardiomyozyten zum Fortschreiten der Herzerkrankung beizutragen. Da die Mechanismen der erhöhten Apoptoseanfälligkeit noch weitgehend unklar sind, wurde die kardiale Expression von pro- und anti-apoptotischen Mitgliedern der Bcl-2-Familie untersucht. Die anti-apoptotische Wirkung beruht auf der Hemmung der mitochondrialen Freisetzung apoptotischer Signalmoleküle und auf der Stabilisierung des mitochondrialen Membranpotentials. Die Expression von Mitgliedern der Bcl-2-Familie wurde in linksventrikulären Proben von terminal insuffizienten, explantierten Herzen im Vergleich zum nichtinsuffizienten Spendermyokard quantifiziert. Zusätzlich wurden Patienten mit Therapie-refraktärer Herzinsuffizienz untersucht, die zur Überbrückung, bis ein Spenderherz für die Transplantation zur Verfügung stand, ein ventrikuläres Assistsystem (VAD) implantiert bekommen haben. VADs führen zur hämodynamischen Entlastung des versagenden Herzens und zur Verbesserung des peripheren Perfusionsdefizites. Unter den Proteinen der Bcl-2-Familie war besonders die mRNA des antiapoptotischen Bcl-xL bei terminaler Herzinsuffizienz erniedrigt (s. Tabelle). Die verminderte Bcl-xL mRNA-Expression konnte durch Therapie mit Inhibitoren des Angiotensin-Konversionsenzyms (ACE) teilweise normalisiert werden, wobei mRNA- und Proteinexpression positiv korrelierten. Ferner stieg die Bcl-xL mRNA auch unter der VAD-Unterstützung wieder an (s. Tabelle). Dieser Anstieg war abhängig von der Unterstützungszeit am VAD.

  Spender Explantate
    ohne VAD mit VAD
mRNA/RNA     prä-VAD post-VAD
Bak [amol/mg] 301 ± 105 170 ± 93* 158 ± 91* 138 ± 52
Bax [amol/mg] 2,1 ± 1,2 2,3 ± 2,3 1,6 ± 0,9 2,1 ± 1,4
Bcl-2 [amol/mg] 16,4 ± 9,5 18,1 ± 11,9 11,4 ± 9,0 9,3 ± 5,0
Bcl-x [amol/mg] 215 ± 92 134 ± 57* 144 ± 47* 176 ± 42
Mcl-1 [amol/mg] 3,2 ± 1,5 3,5 ± 1,6 3,5 ± 0,8 4,2 ± 1,1
n: 10 24 10
*p<0,05 vs Spender; p<0,05 vs prä-VAD

Die Bcl-xL mRNA konnte in situ in den Kardiomyozyten nachgewiesen werden, sie liegt aber auch im humanen Endothel vor. Dabei wird die endotheliale Bcl-xL mRNA durch den Einfluss von laminaren Scherkräften, die physiologisch durch die Blutströmung einwirken, in Abhängigkeit von der endothelialen Stickstoffmonoxid-Bildung in Endothelzellen induziert und aufrecht erhalten (in vitro Zellkulturmodell). Im Gegensatz zur Myokardüberbelastung unter Herzinsuffizienz konnte im hypoperfundierten Myokard am tierexperimentellen Modell des Schweins kein Einfluss der Mangeldurchblutung auf die Bcl-xL-mRNA-Expression im hibernating Myokard und nach Reperfusion im stunned Myokard festgestellt werden.
Die Daten zeigen die Korrigierbarkeit der bei Herzinsuffizienz veränderten myokardialen Expression von Bcl-2-homologen Proteinen durch ACE-Inhibition und VAD-Entlastung mit einer Veränderung des Expressionsgleichgewichtes an den Mitochondrien zur Apoptosehemmung.

In severe heart failure, cardiomyocytes undergoing apoptotic cell death can be detected. Since detailed mechanisms contributing to this increased apoptosis sensitivity are unknown, cardiac expression of several pro- and anti-apoptotic members of the Bcl-2 family has been investigated. Anti-apoptotic proteins of the Bcl-2 family prevent the release of apoptosis-inducing molecules from the mitochondria and stabilize the mitochondrial transmembrane potential. Therefore, we analyzed the expression of several Bcl-2 family members in left ventricular specimens of the explanted terminally failing human myocardium compared with non-failing donor hearts. Furthermore, patients supported by a ventricular assist device (VAD) were included in this study. The implantation of a VAD is used for bridging the time until heart transplantation and results in a hemodynamic unloading of the failing heart and in an improvement of the peripheral perfusion. Within the group of Bcl-2-related proteins, mRNA of the anti-apoptotic Bcl-xL was especially decreased in terminal heart failure (see table). This diminished Bcl-xL mRNA expression could be partially renormalized by treatment with inhibitors of the angiotensin-converting enzyme (ACE) along with a positive correlation of mRNA and protein expression. Furthermore, Bcl-xL mRNA was increased by VAD support (see table), which was depending on the time on VAD.

  Donors Explants
    without VAD with VAD
mRNA/RNA     pre VAD post VAD
Bak [amol/mg] 301 ± 105 170 ± 93* 158 ± 91* 138 ± 52
Bax [amol/mg] 2,1 ± 1,2 2,3 ± 2,3 1,6 ± 0,9 2,1 ± 1,4
Bcl-2 [amol/mg] 16,4 ± 9,5 18,1 ± 11,9 11,4 ± 9,0 9,3 ± 5,0
Bcl-x [amol/mg] 215 ± 92 134 ± 57* 144 ± 47* 176 ± 42
Mcl-1 [amol/mg] 3,2 ± 1,5 3,5 ± 1,6 3,5 ± 0,8 4,2 ± 1,1
n: 10 24 10
*p<0,05 vs donors; p<0,05 vs pre VAD

This Bcl-xL mRNA could be shown in situ in cardiomyocytes, but is also expressed in the human endothelium. As shown in an in vitro cell culture model, the endothelial Bcl-xL mRNA expression is maintained by influence of chronic laminar shear stress depending on the endothelial production of nitric oxide, which is physiologically induced by the flowing blood. In contrast to the myocardial overload in heart failure, cardiac Bcl-xL mRNA expression is neither influenced by hypoperfusion in the hibernating myocardium of a porcine animal model nor by subsequent reperfusion in the stunned myocardium.
These data indicate the correction of a changed expression of Bcl-2-related proteins in terminal heart failure by ACE inhibition or VAD support along with an alteration of the expression balance on mitochondria towards a decreased apoptosis sensitivity.

Keywords:
Apoptose, bcl-2 Familie, Endothel, Herzinsuffizienz, Hibernation, Myokard, Stickstoffmonoxid, Stunning

apoptosis, bcl-2 family, endothelium, heart failure, hibernation, myocardium, nitic oxide, stunning

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