Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel: Der Effekt von chronisch-intermittierender Hypoxie auf myokardiale Vaskularisation, Entzündung und mitochondriale Integrität im Mausmodell
Autor: Büttner, Franziska
Weitere Beteiligte: Kinscherf, Ralf (Prof. Dr.)
Veröffentlicht: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0443
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-04438
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0443
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): The effect of chronic intermittent hypoxia on myocardial vascularization, inflammation and mitchondrial integrity in a mouse model
Publikationsdatum: 2017-08-28
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Hypoxie, Myokard, OSAS

Zusammenfassung:
Das Syndrom der obstruktiven Schlafapnoe (OSAS) ist die häufigste schlafbezogene Atemstörung, bei der ein verminderter Muskeltonus der Rachenmuskulatur zu einem partiellen oder vollständigen Kollaps der Atemwege im Schlaf führt. In der Folge reduziert sich der Atemfluss bis hin zur Apnoe, welche mitunter eine Minute und darüber hinaus andauern kann. Der konsekutive Abfall des Sauerstoffpartialdrucks und die Ausbildung einer Hyperkapnie resultieren letztlich über eine Sympathikusaktivierung in einer Weckreaktion. Die betroffenen Patienten berichten von ausgeprägter Tagesmüdigkeit und weisen ein erhöhtes Risiko auf, Begleiterkrankungen wie arterielle Hypertonie, KHK und Herzinsuffizienz zu entwickeln. In Anbetracht der steigenden Inzidenz des Hauptrisikofaktors Adipositas erhöht sich ebenso die Prävalenz des OSAS, weshalb dem Krankheitsbild und den zugrundeliegenden Pathomechanismen verstärkt Bedeutung beigemessen wird. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die histomorphologische und molekularbiologische Untersuchung linksventrikulärer Myokardveränderungen, welche im Rahmen des OSAS die Entwicklung einer kardialen Hypertrophie und ventrikulären Dysfunktion begünstigen. Dazu diente ein Maus-Modell der chronisch intermittierenden Hypoxie (CIH) (männliche C57BL/6J-Mäuse), im Rahmen dessen eine Versuchsgruppe CIH (n=10) zur Imitation eines schweren OSAS sechs Wochen lang für acht Stunden pro Tag einem minütlichen Wechsel aus Normoxie (21% O2) und Hypoxie (6-7% O2) ausgesetzt und mit einer normoxischen Kontrollgruppe KON (n=11) verglichen wurde. Die linksventrikulären Myokardproben wurden mittels (Immun-)Histochemie, qRT-PCR und Elektronenmikroskopie hinsichtlich Angiogenese, Inflammation, Apoptose und mitochondrialer Integrität untersucht. Dabei zeigten sich die angiogenetischen Marker VEGF-A, VEGF-B, KDR und Notch1 auf RNA-Ebene erhöht, was als Antwort auf die unzureichende Sauerstoffversorgung des Gewebes unter CIH angesehen werden kann. Diesen angiogenetischen Signalen folgt jedoch offenbar histochemisch keine nachweisbare signifikante Kapillarneubildung. Sie scheinen im vorliegenden Modell ineffektiv zu sein, was durch die CIH-assoziierte Inflammation bedingt sein kann. So zeigten sich die pro-inflammatorischen Marker TNF-α, COX-2 und IL-1β auf molekularbiologischer und zum Teil auch auf immunhistochemischer Ebene signifikant erhöht, wobei vor allem TNF-α und IL-1β zu einer Störung des pro-angiogenetisch wirksamen Notch1-Signalweges führen können. Notch1 wirkt über eine Hemmung von Fibrosierungs- und Hypertrophierungsprozessen außerdem kardioprotektiv, was als Erklärung für den im vorliegenden Maus-Modell geringen myokardialen Kollagengehalt und die fehlende linksventrikuläre Hypertrophie angesehen werden kann. Es kann jedoch auch mit der PMCA4b-Hochregulation assoziiert sein, welche in der Literatur bereits mit einer Verminderung von Hypertrophie und Fibrose in Verbindung gebracht werden konnte. Auch die Expression von SOCS3 zeigte sich stark erhöht. Dieses Protein wird mit gesteigerter Inflammation, Fibrose und mitochondrialer Schädigung in Zusammenhang gebracht, wobei in der vorliegenden Arbeit mittels Elektronenmikroskopie eine Störung der mitochondrialen Integrität detektiert werden konnte. Diese vermehrten Mitochondrien-Defekte könnten zur ventrikulären Dysfunktion infolge CIH beitragen und klinisch eine Rolle bei der Herzinsuffizienz bei OSAS spielen.  

Summary:
Obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) is the most common sleep related breathing disorder and goes along with a decreased tone of the pharyngeal muscles leading to a partial or complete collapse of the upper airway during sleep which reduces the breath flow up to apnoea. It can take a minute or longer and causes a decline of the partial pressure of oxygen and oxygen saturation as well as an increase of the partial pressure of carbon dioxide. The sleep apnea is terminated by an arousal because of activation of sympathetic nervous system. The affected patients complain about daytime fatigue and show an enhanced risk for cardiovascular diseases like arterial hypertension, coronary heart disease and congestive heart failure. Considering the increasing incidence of the main risk factor obesity, prevalence of OSAS raises as well. That is the reason why we have to focus on this disease pattern and the underlying pathomechanisms. This dissertation's aim is the examination of histomorphological and molecular biological alterations of the leftventricular myocard promoting the development of cardial hypertrophy and ventricular dysfunction. We used a mouse model of chronic intermittend hypoxia (CIH) (male C57BL/6J mouses) and compared a normoxic control group KON (n=11) with a treatment group CIH (n=10). To imitate a severe OSAS, the treatment group has been exposed to a minute-by-minute change of normoxia (21% oxygen) and hypoxia (6-7% oxygen) eight hours a day for six weeks. To examine leftventricular tissue samples concerning angiogenesis, inflammation, apoptosis and mitochondrial integrity, we used (immuno-)histochemistry, qRT-PCR and electron microscopy. The angiogenic markers VEGF-A, VEGF-B, KDR and Notch1 appeared increased as a response to the insufficient oxygen supply of the tissue caused by CIH. The angiogenic signals were not followed by a significant capillary growth. They seem to be ineffective which might be caused by the CIH associated inflammation. The pro-inflammatory markers TNF-α, COX-2 and IL1-β showed a significant increase of RNA-levels as well as positive cells in immunohistochemistry. TNF-α and IL1-β are able to influence the pro-angiogenic Notch1 signaling pathway which appears cardioprotective via inhibition of fibrosis and hypertrophy. This may be one reason for the missing leftventricular hypertrophy. Another one can be the upregulation of PMCA4b which was associated with less hypertrophy and fibrosis in literature. Furthermore, the RNA-level of SOCS3 was increased, too. The protein is linked to inflammation, fibrosis and mitochondrial damage. Fitting to this, we detected a disruption of the mitochondrial integrity which might contribute to the ventricular dysfunction caused by CIH and might have a clinical impact on congestive heart failure linked to OSAS.

Bibliographie / References

  1. Molkentin, Jeffery D.; Lu, Jian-Rong; Antos, Christopher L.; Markham, Bruce; Richardson, James; Robbins, Jeffrey et al. (1998): A Calcineurin-Dependent Transcriptional Pathway for Cardiac Hypertrophy. Cell 93 (2), S. 215-228.
  2. Karmazyn, M. (1988). Amiloride enhances postischemic ventricular recovery: possible role of Na+-H+ exchange. Am. J. Physiol. 255, H608-H615.
  3. (2001): A model of sleep-disordered breathing in the C57BL/6J mouse. J Appl Physiol (1985) 91 (6), S. 2758-2766.
  4. Nieto, F. J.; Young, T. B.; Lind, B. K.; Shahar, E.; Samet, J. M.; Redline, S. et al. (2000): Association of sleep-disordered breathing, sleep apnea, and hypertension in a large community-based study. Sleep Heart Health Study. JAMA 283 (14), S. 1829-1836.
  5. Ross, R. (1999): Atherosclerosis--an inflammatory disease. N Engl J Med 340 (2), S. 115- 126.
  6. Kraiczi, H.; Peker, Y.; Caidahl, K.; Samuelsson, A.; Hedner, J. (2001): Blood pressure, cardiac structure and severity of obstructive sleep apnea in a sleep clinic population. J Hypertens 19 (11), S. 2071-2078.
  7. Noda, Akiko (1995): Cardiac Hypertrophy in Obstructive Sleep Apnea Syndrome. CHEST 107 (6), S. 1538.
  8. Oba, Toyoharu; Yasukawa, Hideo; Hoshijima, Masahiko; Sasaki, Ken-ichiro; Futamata, Nobuyoshi; Fukui, Daisuke et al. (2012): Cardiac-specific deletion of SOCS-3 prevents development of left ventricular remodeling after acute myocardial infarction. J Am Coll Cardiol 59 (9), S. 838-852.
  9. Labrousse AM, Zappaterra MD, Rube DA und van der Bliek AM (1999) C. elegans dynamin-related protein DRP-1 controls severing of the mitochondrial outer membrane.
  10. Kratsios, Paschalis; Catela, Catarina; Salimova, Ekaterina; Huth, Marion; Berno, Valeria; Rosenthal, Nadia; Mourkioti, Foteini (2010): Distinct roles for cell-autonomous Notch Kukielka, G. L.; Smith, C. W.; Manning, A. M.; Youker, K. A.; Michael, L. H.; Entman, M. L.
  11. Mozdy AD, McCaffery JM und Shaw JM (2000) Dnm1p GTPase-mediated mitochondrial fission is a multi-step process requiring the novel integral membrane component Fis1p.
  12. Smith, I.; Lasserson, T. J.; Wright, J. (2006): Drug therapy for obstructive sleep apnoea in adults. Cochrane Database Syst Rev (2), S. CD003002.
  13. Kohler, Malcolm; Stoewhas, Anne-Christin; Ayers, Lisa; Senn, Oliver; Bloch, Konrad E.; Russi, Erich W.; Stradling, John R. (2011): Effects of continuous positive airway pressure therapy withdrawal in patients with obstructive sleep apnea: a randomized controlled trial.
  14. Kokturk, Oguz; Ciftci, Tansu Ulukavak; Mollarecep, Elif; Ciftci, Bulent (2005): Elevated Creactive protein levels and increased cardiovascular risk in patients with obstructive sleep apnea syndrome. Int Heart J 46 (5), S. 801-809.
  15. Kelm, M.; Strauer, B. E. (1999): Endotheliale Dysfunktion Therapeutische und prognostische Relevanz. Internist 40 (12), S. 1300-1307.
  16. Motz, W.; Scheler, S.; Schwartzkopff, B.; Strauer, B. E. (1995): Evaluation of cardiac damage in hypertension. J Cardiovasc Risk 2 (1), S. 16-26.
  17. Lang, Gudrun (2013): Histotechnik. Praxislehrbuch für die Biomedizinische Analytik. 2., überarbeitete und aktualisierte Auflage. Vienna: Springer (SpringerLink : Bücher).
  18. Schwab, J.; Schneider, M. P.; Pauschinger, M.; Schmieder, R. E. (2009): Hypertension and diastolic dysfunction. MMW Fortschr Med 151 (23), S. 41-43.
  19. Kokubo, Yoshihiro; Kamide, Kei; Okamura, Tomonori; Watanabe, Makoto; Higashiyama, Aya; Kawanishi, Katsuyuki et al. (2008): Impact of high-normal blood pressure on the risk of cardiovascular disease in a Japanese urban cohort: the Suita study. Hypertension 52 (4), S. 652-659.
  20. (1995): Induction of interleukin-6 synthesis in the myocardium. Potential role in postreperfusion inflammatory injury. Circulation 92 (7), S. 1866-1875.
  21. Higuchi, Masahiro; Proske, Rita J.; Yeh, Edward T.H. (1998): Inhibition of mitochondrial respiratory chain complex I by TNF results in cytochrome c release, membrane permeability transition, and apoptosis. Oncogene 17, S. 2515-2524.
  22. Higuchi, R.; Fockler, C.; Dollinger, G.; Watson, R. (1993): Kinetic PCR analysis: real-time monitoring of DNA amplification reactions. Biotechnology, 1993.
  23. Nakatani, Satoshi (2011): Left ventricular rotation and twist: why should we learn? J Cardiovasc Ultrasound 19 (1), S. 1-6.
  24. Welsch, Ulrich; Sobotta, Johannes (2006): Lehrbuch Histologie. Zytologie, Histologie, mikroskopische Anatomie ; mit 21 Tabellen. 2., völlig überarb. Aufl. München, Jena: Elsevier, Urban und Fischer.
  25. Kario, Kazuomi; Ishikawa, Joji; Pickering, Thomas G.; Hoshide, Satoshi; Eguchi, Kazuo; Morinari, Masato et al. (2006): Morning hypertension: the strongest independent risk factor for stroke in elderly hypertensive patients. Hypertens Res 29 (8), S. 581-587.
  26. Honda, S., Aihara, T., Hontani, M., Okubo, K. und Hirose, S. (2005). Mutational analysis of action of mitochondrial fusion factor mitofusin-2. J. Cell Sci. 118, 3153-3161.
  27. Kusumoto, K., Haist, J. V., and Karmazyn, M. (2001). Na(+)/H(+) exchange inhibition reduces hypertrophy and heart failure after myocardial infarction in rats. Am. J. Physiol.
  28. Oceandy, Delvac; Cartwright, Elizabeth J.; Emerson, Michael; Prehar, Sukhpal; Baudoin, Florence M.; Zi, Min et al. (2007): Neuronal nitric oxide synthase signaling in the heart is regulated by the sarcolemmal calcium pump 4b. Circulation 115 (4), S. 483-492.
  29. Sweeney, Catherine; Morrow, David; Birney, Yvonne A.; Coyle, Seamus; Hennessy, Colm; Scheller, Agnieszka et al. (2004): Notch 1 and 3 receptor signaling modulates vascular smooth muscle cell growth, apoptosis, and migration via a CBF-1/RBP-Jk dependent pathway. FASEB J 18 (12), S. 1421-1423.
  30. Ip, Mary S M; Lam, Bing; Ng, Matthew M T; Lam, Wah Kit; Tsang, Kenneth W T; Lam, Karen S L (2002): Obstructive sleep apnea is independently associated with insulin resistance. Am J Respir Crit Care Med 165 (5), S. 670-676.
  31. Kario, Kazuomi (2009): Obstructive sleep apnea syndrome and hypertension: ambulatory blood pressure. Hypertens Res 32 (6), S. 428-432.
  32. Ronksley, P. E.; Hemmelgarn, B. R.; Heitman, S. J.; Hanly, P. J.; Faris, P. D.; Quan, H.; Tsai, W. H. (2009): Obstructive sleep apnoea is associated with diabetes in sleepy subjects. Thorax 64 (10), S. 834-839.
  33. Pratt-Ubunama, Monique N.; Nishizaka, Mari K.; Boedefeld, Robyn L.; Cofield, Stacey S.; Harding, Susan M.; Calhoun, David A. (2007): Plasma aldosterone is related to severity of Rolfe, D. F.; Brown, G. C. (1997): Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals. Physiol Rev 77 (3), S. 731-758.
  34. Holton, Mary Louisa; Wang, Weiguang; Emerson, Michael; Neyses, Ludwig; Armesilla, Angel L. (2010): Plasma membrane calcium ATPase proteins as novel regulators of signal transduction pathways. World journal of biological chemistry 1 (6), S. 201-208.
  35. Young, T.; Peppard, P.; Palta, M.; Hla, K. M.; Finn, L.; Morgan, B.; Skatrud, J. (1997): Population-based study of sleep-disordered breathing as a risk factor for hypertension.
  36. Moore-Gillon, J. C.; Cameron, I. R. (1985): Right ventricular hypertrophy and polycythaemia in rats after intermittent exposure to hypoxia. Clin Sci (Lond) 69 (5), S.
  37. (2005): Short-term isocapnic hypoxia and coagulation activation in patients with sleep apnea. Clin Hemorheol Microcirc 33 (4), S. 369-377.
  38. Mooe, T.; Franklin, K. A.; Holmstrom, K.; Rabben, T.; Wiklund, U. (2001): Sleepdisordered breathing and coronary artery disease: long-term prognosis. Am J Respir Crit Care Med 164 (10 Pt 1), S. 1910-1913.
  39. 122 Kapur, V. K.; Baldwin, C. M.; Resnick, H. E.; Gottlieb, D. J.; Nieto, F. J. (2005): Sleepiness in patients with moderate to severe sleep-disordered breathing. Sleep (28), S. 472-477.
  40. Kavey, N. B.; Blitzer, A.; Gidro-Frank, S.; Korstanje, K. (1985): Sleeping position and sleep apnea syndrome. Am J Otolaryngol 6 (5), S. 373-377.
  41. Somers, V. K.; Dyken, M. E.; Clary, M. P.; Abboud, F. M. (1995): Sympathetic neural mechanisms in obstructive sleep apnea. J Clin Invest 96 (4), S. 1897-1904.
  42. Holton, Marylouisa; Di Yang; Wang, Weiguang; Mohamed, Tamer M. A.; Neyses, Ludwig; Armesilla, Angel L. (2007): The interaction between endogenous calcineurin and the plasma membrane calcium-dependent ATPase is isoform specific in breast cancer cells.
  43. Nemir, Mohamed; Metrich, Mélanie; Plaisance, Isabelle; Lepore, Mario; Cruchet, Steeve; Berthonneche, Corinne et al. (2014): The Notch pathway controls fibrotic and regenerative repair in the adult heart. Eur. Heart J. 35 (32), S. 2174-2185.
  44. Khan, Shakil A.; Hare, Joshua M. (2003): The role of nitric oxide in the physiological regulation of Ca2+ cycling. Curr Opin Drug Discov Devel 6 (5), S. 658-666.
  45. (2008): The Sarcolemmal Calcium Pump 4 (PMCA4) is a Powerful Regulator of Pathological Hypertrophy via the Nitric Oxide- Foxo3a Pathway. Circulation (118), S. 422- 423.
  46. Huang, Hong; Huang, Feng; Huang, Jian-Ping (2013): Transplantation of bone marrowderived endothelial progenitor cells overexpressing Delta‑like‑4 enhances functional neovascularization in ischemic myocardium. Mol Med Report 8 (5), S. 1556-1562.
  47. Maurer, J. T.; Stuck, B. A.; Hein, G.; Verse, T.; Hormann, K. (2003): Treatment of obstructive sleep apnea with a new vest preventing the supine position. Dtsch Med Wochenschr 128 (3), S. 71-75.
  48. Smith, Robert; Ronald, John; Delaive, Kenneth; Walld, Randy; Manfreda, Jure; Kryger, Meir H. (2002): What are obstructive sleep apnea patients being treated for prior to this diagnosis? Chest 121 (1), S. 164-172.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten