Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Die Bedeutung der Hypoxie-induzierten Genexpression für die Ausbildung einer durch mechanische Last induzierten Myokardhypertrophie

Silter, Monique

HIF-1 is an O2 regulated transcription factor that if activated forms a heterodimer. Its -subunit appears to be a key regulatory molecule of the adaptive hypoxic regulation of gene expression, both physiologically and pathophysiologically. In hypoxic conditions HIF-1 is stabilized and translocates into the nucleus. There it dimerizes with the oxygen-independently regulated subunit HIF-1β to form the activated HIF-1 complex. This leads to the transcriptional activation of several target genes such as EPO and VEGF, which eventually results in increased erythropoiesis, neovascularisation and angiogenesis. Additionally HIF-1 has antiapoptotic effects and regulates genes involved in energy metabolism. HIF-1 thus stimulates adaptation of the cell to hypoxic conditions. In the presented thesis the importance of HIF-1 dependent gene expression for mechanical load induced myocardial hypertrophy was examined. Hypertrophic conditions were induced by mechanically increasing the afterload the myocard has to accomplish. The study compares mice of HIF-1+/+ and HIF-1+/- genotype in a TAC model. Cardiac function and the extent of hypertrophy were evaluated by use of echocardiography, immunofluorescence and Ca2+ epifluorescence. Following TAC, all mice developed myocardial hypertrophy, which was not different for HIF-1+/+ and HIF-1+/- animals. However, concerning the extent of cardiac hypertrophy there was observed a gender-dependent difference. Echocardiographic measurements of posterior wall thickness and septum thickness did show an increase after TAC in all animals, with no difference between genotypes. Biometric data confirmed these observations. The ratio of weight of the left ventricle to total heart weight showed similar changes for HIF-1+/+ and HIF-1+/- mice. The extent of capillarization of the myocard and myocardial angiogenesis also revealed no differences between the experimental groups. Interestingly, only HIF-1+/- animals developed heart failure. HIF-1+/+ mice generally showed stable cardiac functions. Echocardiographic examination of HIF-1+/- animals revealed significantly reduced fractional shortening after TAC treatment. The left ventricular end systolic diameter was also increased in those animals, which suggests a systolic dysfunction. There were no signs of a diastolic dysfunction. To gain more insight into the development of cardiac malfunction in heterozygous animals, experiments on isolated ventricular cardiomyocytes were conducted. These experiments confirmed the data obtained in the echocardiographic examinations. Myocyte shortening of cells isolated from HIF-1+/- animals was significantly reduced. These observations also correlate with the results of Ca2+epifluorescence analyses, which showed less pronounced Ca2+ transient amplitudes as well as significantly reduced Ca2+ content in the sarcoplasmatic reticulum of HIF-1+/- mice. To conclude, while HIF-1 has no effect on the development of cardiac hypertrophy, it strongly influences cardiac function by modulating Ca2+ handling in the cardiomyocytes.

HIF-1 ist ein sauerstoffregulierter, heterodimerer Transkriptionsfaktor. Seine Untereinheit HIF-1 gilt aus physiologischer und pathophysiologischer Sicht als Schlüsselregulator der adaptiven hypoxischen Genregulation. Unter hypoxischen Bedingungen wird HIF-1 in der Zelle stabilisiert, transloziert in den Nukleus und heterodimerisert mit seiner nicht sauerstoffregulierten β-Untereinheit zu HIF-1. Diese Aktivierung von HIF-1 induziert die Transkription verschiedener Zielgene, wie zum Beispiel EPO und VEGF, welche in der Folge Erythropoiese bzw. Angiogenese und Neovaskularisierung fördern. Außerdem zeigt es antiapoptotische Wirkungen und reguliert im Energiemetabolismus relevante Gene. Somit stimuliert HIF-1 die Adaptation der Zelle an einen erniedrigten Sauerstoffpartialdruck. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung der Hypoxie-induzierten Genexpression nach einer durch mechanische Last hervorgerufenen Myokardhypertrophie untersucht. Anhand einer vergleichenden Studie von HIF-1+/+- und HIF-1+/--Mäusen im TAC-Modell wurden die Mäuse mittels Echokardiographie, Immunfluoreszenztechnik und Ca2+-Epifluoreszenztechnik hinsichtlich Ausprägung der kardialen Hypertrophie und ihrer kardialen Funktion untersucht. Nach TAC entwickelten die Mäuse eine kardiale Hypertrophie, welche sich in den HIF-1+/+- und HIF-1+/--Mäusen selbst nicht unterschied, jedoch geschlechtsspezifische Abhängigkeiten hinsichtlich der Ausprägung bzw. des Ausmaßes der Hypertrophie aufzeigte. Echokardiographisch wurde ein Anstieg von Hinterwanddicke und Septumdicke erfasst, welcher im Ausmaß keinen signifikanten Unterschied aufwies. Diese Ergebnisse konnten in Form biometrisch erhobener Daten bestätigt werden. Hierbei verhielten sich die HIF-1+/+- und HIF-1+/--Mäusen ähnlich in der Entwicklung der linksventrikularen Masse bezogen auf das Gesamtherzgewicht. Zusätzlich konnten auch im Hinblick auf Angiogenese und Kapillarisierung in den Herzen der HIF-1+/+- und HIF-1+/- -Mäuse keine Differenzen ermittelt werden. Interessanterweise entwickelten jedoch nur die HIF-1+/--Tiere nach TAC eine Herzinsuffizienz. Die HIF-1+/+-Mäuse zeigten eine generell stabilere kardiale Funktion. Die Beeinträchtigung in der kardialen Funktion der HIF-1+/-- im Vergleich zu den HIF-1+/+-Mäusen nach TAC war echokardiographisch anhand des signifikant reduzierten Fractional Shortening ersichtlich. Aufgrund des erhöhten linksventrikularen endsystolischen Diameters lässt sich auf eine systolische Dysfunktion rückschließen. Anhaltspunkte einer diastolischen Dysfunktion ergaben sich nicht. Um den kardialen Funktionsverlust in den HIF-1 defizienten Mäusen näher zu charakterisieren, wurden Untersuchungen auf Einzelzellebene durchgeführt. Hierbei bestätigte sich die im Gesamtherz durch echokardiographische Verlaufskontrollen erfasste Beeinträchtigung in der kardialen Funktion. Aus HIF-1+/--Mäusen isolierte ventrikulare Kardiomyozyten zeigten eine signifikant reduzierte Myozytenverkürzung im Vergleich zu den aus HIF-1+/+-Mäusen isolierten. Darüber hinaus korrelierte diese Kontraktilitätsschwäche mit den, in der Ca2+-Epifluoreszenz-Technik detektierten, geringer ausgeprägten Ca2+-Transienten-Amplituden und dem verminderte SR-Ca2+-Gehalt in den Kardiomyozyten der HIF-1 defizienten Mäuse. Zusammengefasst lässt sich folgern, dass unter anhaltender mechanischer Belastung des Herzens HIF-1 zwar keinen Einfluss auf die Ausprägung der kardialen Hypertrophie nimmt, aber durch Modulationen im Ca2+-Handling entscheidend an der Aufrechterhaltung der kardialen Funktion beteiligt ist.

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Silter, Monique: Die Bedeutung der Hypoxie-induzierten Genexpression für die Ausbildung einer durch mechanische Last induzierten Myokardhypertrophie. Hannover 2009. Tierärztliche Hochschule.

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