Dokument: Heart Failure rapidly induces Wasting-related Program in Skeletal Muscle

Titel:	Heart Failure rapidly induces Wasting-related Program in Skeletal Muscle
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=42743
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180802-113757-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Leitner, Lucia Maria [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 14,28 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.06.2017 / geändert 28.06.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Gödecke, Axel [Gutachter] Prof. Dr. Rüther, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Gödecke, Axel [Betreuer/Doktorvater]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Skeletal muscle wasting is highly associated with chronic disease such as heart failure (HF) or cancer, where the condition is also referred to as cachexia. Although the pathways involved in muscle wasting are well described, the molecular triggers in contrast remain to be identified. This is especially of importance as cachexia, once manifested, is hardly treatable. Until now there are only some factors identified which are released from the failing heart and are supposed to initiate muscle wasting, including Il-6 and Myostatin (Mstn). To study the cross talk between the failing heart and skeletal muscle, novel heart failure models were used in this work. In cardiomyocyte KO models of p38 mitogen-activated protein kinase alpha (p38MAPKα), heart failure was induced within two days by Angiotensin II (ANGII), applied via osmotic mini pumps (1.5 mg/kg/day). Cardiac function was assessed by high resolution ultrasound, characterizing heart failure by reduced ejection fraction with an extensive left ventricular dilatation. Additionally, a massive cardiac neutrophil infiltration was found. The cardiac depression was associated with a severe weight loss (Control 95.39±2.10; KO 86.27±3.18). Additionally, more than 4000 differentially expressed transcripts (>2-fold) were uncovered in ANGII treated KO hearts when compared to ANGII treated controls using microarray analysis (Agilent 8x60K Mouse Array). Interestingly, in the skeletal muscle (SkM) Musculus plantaris (M. plantaris) of these KO mice more than 3000 altered transcripts were identified. Both, M. plantaris and heart showed increased levels of cytokine expression (e.g. Il-6, Il-1b, Il-6ra, Il-1r2). Furthermore several deregulated transcripts found in M. plantaris were involved in SkM protein degradation (e.g. atrogenes as Foxo1, Foxo3, Murf1, Atrogin1 and autophagy associated genes such as Bnip3, Gabarapl1 and Catepsin L) indicating the start of a SkM wasting related gene program, triggered by heart failure. Cardiac upregulation of Mstn could not be detected. To further elucidate a possible heart-skeletal muscle crosstalk the time course (before and after 12, 24 and 48h of ANGII treatment) of transcript expression was analyzed by quantitative PCR. This revealed that cytokines in the heart were upregulated already after 24h followed by cytokine and atrogene deregulation 24h later in M. plantaris. The transcript expression analysis of the slow oxidative Musculus soleus revealed no significant induction of atrogenes after heart failure compared to fast glycolytic M. plantaris, which mainly consists of fast type 2 fibers. This finding suggests a fiber type specific atrophy of fast muscles after HF, which was further supported by histological investigations, which revealed a decrease in glycolytic fiber size, as well as morphological alterations exclusively found in native tissue section of type 2 fibers. Neutrophil depletion as a potential intervention to counteract the initial inflammatory response significantly improved the cardiac and SkM phenotype. Surprisingly cardiac Il-6 expression was not altered after neutrophil depletion, whereas an attenuated upregulation of other cytokines and most atrogenes was found. In these novel heart failure models, neither cardiac Il-6 was sufficient to induce muscle wasting nor was cardiac Mstn required to initiate skeletal muscle wasting. The cardiomyocyte p38MAPKα KO models are a promising model to investigate early triggers of HF-induced muscle wasting. Skelettmuskelatrophie tritt oft in Zusammenhang mit chronischen Erkrankungen auf. Im Rahmen einer Herzinsuffizienz (HI) oder Tumorerkrankung ist dieser Zustand auch als Kachexie bekannt. Obwohl bei Muskelatrophie ablaufende Prozesse umfassend beschrieben wurden, sind die molekularen Auslöser derselben weitestgehend unbekannt. Dies ist insofern von Bedeutung, da manifestierte Kachexie kaum behandelbar ist. Bislang wurden nur wenige vom Herzen ausgeschüttete Faktoren identifiziert, welche Muskelatrophie induzieren können sollen, wie Il-6 und Myostatin (Mstn). Um das Zusammenspiel des versagenden Herzens und des Skelettmuskels (SkM) zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit neue HI Modelle verwendet. In diesen Modellen, wo die p38 Mitogen-aktivierten Protein Kinase alpha (p38MAPKα) in Kardiomyozyten inaktiviert (KO) wurde, wurde HI innerhalb von zwei Tagen durch Angiotensin II (ANGII) induziert, welches über eine osmotische Minipumpe appliziert wurde (1,5 mg/kg/Tag). Die Herzfunktion wurde mittels Echokardiographie bestimmt, wodurch eine HI anhand erniedrigter Ejektionsfraktion sowie einer umfangreichen linksventrikulären Dilatation charakterisiert wurde. Ebenso wurde eine massive kardiale Infilatration von Neutrophilen festgestellt. Diese kardiale Einschränkung ging mit einem deutlichen Gewichtsverlust einher (Kontrolle 95,39%±2,10; KO 86,27%±3,18). Zusätzlich wurden mittels Microarray Analysen (Agilent 8x60K Mouse Array) mehr als 4000 veränderte Transkripte (<2-fach) in ANGII behandelten KO Herzen im Vergleich zu ANGII behandelten Kontrollherzen gefunden. Interessanterweise wurden im Skelettmuskel Musculus plantaris (M. plantaris) dieser KO Mäuse mehr als 3000 veränderte Transkripte (<2-fach) identi_ziert. Im Herzen und M. plantaris wurde eine erhöhte Expression von Zytokinen gefunden (z.B. Il-6, Il-1b, Il-6ra, Il-1r2). Des Weiteren waren einige der im M. plantaris gefundenen veränderten Transkripte in SkM Proteinabbau involviert (z.B. Atrogene wie Foxo1, Foxo3, Murf1, Atrogin1 und Autophagie assoziierte Gene wie Bnip3, Gabarapl1 und Catepsin L), welche auf eine HI gesteuerte Induktion eines atrophie-ähnlichen Programmes im SkM hindeuten. Eine kardiale Hochregulation von Mstn wurde nicht gefunden. Um das mögliche Zusammenspiel zwischen Herz und SkM genauer aufzuklären, wurde der Zeitverlauf (vor und nach 12, 24 und 48 Stunden ANGII Behandlung) transkriptionaler Expression mittels quantitativer PCR analysiert. Dadurch konnte gezeigt werden, dass Zytokine im Herzen bereits nach 24 Stunden hochreguliert wurden, gefolgt von einer Hochregulation von Zytokinen und Atrogenen weitere 24 Stunden später im M. plantaris. Die Transkriptexpressionsanalyse des langsam oxidativen Musculus soleus zeigte keine signifikanten Veränderungen nach HI, verglichen mit dem schnell glykolytischen M. plantaris, welcher hauptsächlich aus schnellen Typ 2 Muskelfasern besteht. Dieses Ergebnis deutete auf eine fasertypspezifische Atrophie von schnellen Muskeln nach HI hin, unterstützt durch histologische Untersuchungen, welche eine Größenabnahme von glykolytischen Fasern aufzeigten, sowie morphologische Veränderungen, welche ausschließlich in Typ 2 Muskelfasern in nativen Gewebeschnitten zu finden waren. Neutrophildepletion, als mögliche Intervention um der initialen Immunantwort entgegenzuwirken, konnte den kardialen und SkM Phänotyp deutlich verbessern. Überraschenderweise wurde die kardiale Il-6 Expression durch Neutrophildepletion nicht verändert, obwohl weitere Zytokine und ein Großteil der Atrogene kaum hochgeruliert wurden. In diesen neuartigen HI Modellen war weder kardiales Il-6 ausreichend um eine SkM Atrophie auszulösen, noch war kardiales Mstn notwendig, um SkM Atrophie zu initiieren. Diese p38MAPKα KO Modelle sind vielversprechendes Modelle um frühe Auslöser HI- induzierter Muskelatrophie zu untersuchen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	02.08.2018
Dateien geändert am:	02.08.2018
Promotionsantrag am:	01.03.2017
Datum der Promotion:	06.04.2017