Dokument: Nitric oxide-dependent red cell sGC activity and sGC/cGMP pathway in coronary artery disease patients and healthy controls

Titel:Nitric oxide-dependent red cell sGC activity and sGC/cGMP pathway in coronary artery disease patients and healthy controls
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20190702-080834-9
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Manokaran, Thirumakal [Autor]
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Dateien vom 27.06.2019 / geändert 27.06.2019
Beitragende:Prof. Dr. Dr. rer. nat. Cortese-Krott, Miriam [Gutachter]
Prof. Dr. Bauer, Inge [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:Atherosklerose und kardiovaskuläre Erkrankungen stehen im Zusammenhang mit verringerter Bioverfügbarkeit von Stickstoffmonoxid (NO). Die NO aktiviert die lösliche Guanylatzyklase (sGC), einen intrazellulären Rezeptor, der einen second messenger, die zyklische Guanosinmonophosphat (cGMP), produziert. Der Rezeptor spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Gefäßtonus und kardiovaskulärer Ereignisse. Es ist bewiesen, dass menschliche Erythrozyten (RBCs) über eine Isoform der endothelialen NO-Synthase (eNOS) kontinuierlich NO zur Verfügung stellen. Viele Faktoren weisen darauf hin, dass RBCs ihren eigenen NO/sGC/cGMP-Signalweg enthalten und möglicherweise an der Regulierung der Bioverfügbarkeit von NO beteiligt sind. Jedoch wurden in den menschlichen RBCs bislang keine aktive sGC oder der zugehörige Signalweg nachgewiesen. Darüber hinaus wird vermutet, dass RBCs zusätzlich sogenannte "nicht-kanonische" Funktionen wie den NO Metabolismus und die Regulation des Redoxstatus besitzen.
Die vorliegende Arbeit basiert auf der Hypothese, dass menschliche RBCs sowohl einen aktiven sGC/cGMP Signalweg besitzen als auch am NO-Stoffwechsel beteiligt sind. Diese Zellfunktionen stehen im engen Zusammenhang mit koronaren Herzkrankheiten (CAD) und könnten Einflussfaktoren für letztgenannte darstellen. Folglich war Ziel der Arbeit, herauszufinden, ob (1) NO, (2) die eNOS und (3) die sGC eine Wirkung auf den cGMP Spiegel in humanen RBCs haben. Außerdem wurden Veränderungen der (4) sGC Aktivität und des NO/sGC Signalwegs in menschlichen RBCs mit stabiler und instabiler CAD untersucht. In diesem Bezug wurden sowohl (5) die NO-Metaboliten und der Redoxstatus in RBCs mit stabiler und instabiler CAD als auch bei (6) einer Anämie beurteilt.
Mittels einer RIA-Analyse wurden der cGMP Spiegel in den RBCs bestimmt. FACS-Analysen wurden durchgeführt, um die oben genannten RBCs-Funktionen zu evaluieren. Zusätzlich wurden zwei unabhängige klinische Studien von Patienten mit (A) stabiler und instabiler CAD im Vergleich zu einer Kontrollgruppe sowie (B) instabiler CAD mit und ohne begleitender Anämie durchgeführt. Darüber hinaus erfolgte eine Longitudinal-Studie mit Patienten mit instabiler CAD im Vergleich zur Kontrollgruppe, um die Rolle der PCI auf nicht-kanonische RBC-Merkmale zu bewerten.
Der Einfluss von NO durch die Applikation des NO-Donors Diethylamin NONOate (DEA/NO) führte zu einem Phosphodiesterase (PDE)-abhängigen Anstieg des cGMP Spiegels. Im Gegensatz dazu war der cGMP-Spiegel unverändert nach Manipulation der Arginase Aktivität, eNOS Aktivität, Kalziumeinstrom und Stimulation der AC. Die sGC-Stimulation mit DEA/NO und BAY 41-2272, einem sGC-Stimulator, erzielte einen signifikanten Anstieg des cGMP Spiegels in den RBCs. Die Wirkung von NO auf die sGC erlosch nach der Anwendung von 1H-[1,2,4]-oxadiazolo-[4,3-a]-quinoxalin-1-one (ODQ), einem sGC-Inhibitor. Hieraus lässt sich eine aktive sGC in menschlichen RBCs ableiten. Die stabile oder instabile CAD hat keinen Einfluss auf die sGC-Aktivität sowie die Reaktion von sGC auf NO und weitere Stimulatoren in den menschlichen RBCs. Gemäß dieser Erkenntnis waren auch der Redoxstatus und der NO-Metabolismus unbeeinflusst von einer CAD oder Anämie. Nach der PCI zeigten die Erythrozyten eine Tendenz zur Verbesserung des Redoxstatus 90 Tage nach dem Eingriff. Folglich kann angenommen werden, dass die PCI auch für die nicht-kanonischen Charakteristiken der RBCs eine Rolle spielt.
Zusammenfassend veranschaulichen die vorliegenden Daten, dass die menschlichen RBCs eine aktive sGC und einen funktionsfähigen sGC/cGMP Signalweg enthalten. Trotz einer CAD bleiben in den RBCs der Signalweg und die Reaktion von der sGC auf NO vollständig erhalten. Zusätzlich bleiben auch der NO Metabolismus und der Redoxzustand in CAD und zusammenhängenden anämischen Zuständen bestehen. Folglich bieten RBCs und deren Signalweg einen neuen therapeutischen Ansatz zur Behandlung von kardiovaskulären Erkrankungen.

Lack of nitric oxide (NO) bioavailability is correlated with endothelial dysfunction and cardiovascular disease (CVD). NO activates the intracellular receptor soluble guanylate cyclyse (sGC), which produces the second messenger cyclic guanosine monophosphate (cGMP). This receptor plays a crucial role in regulation of vascular tone of blood vessels and cardiac function. Human red blood cells (RBCs) were considered to synthetize NO via an isoform of the endothelial NO-synthase (eNOS). Consequently, they are proposed to contain its own NO/sGC/cGMP signaling pathway and might be involved in the regulation of NO bioavailability. However, an active sGC and associated pathway are not proven in RBCs so far. Besides, RBCs are supposed to obtain non-canonical features, such as NO metabolism and redox state.
The present work is based on the hypothesis that human RBCs contain an active sGC/cGMP pathway and own non-canonical functions, which may be influenced by or influence coronary artery disease (CAD). Therefore, this work aimed at finding out, whether (1) NO, (2) eNOS and (3) sGC have an effect on cGMP levels in human RBCs. Secondly, changes in (4) sGC activity and NO/sGC signaling were investigated in human RBCs from patients with stable and unstable CAD as compared to age-matched controls. Along with this, (5) NO metabolism and redox state in human RBCs with stable and unstable CAD and (6) correlated anemia were investigated.
Using radioimmunoassay (RIA), cGMP levels in human RBCs were determined. Fluorescence-activated cell sorting (FACS) was executed to evaluate human RBC features. Two independent controlled clinical studies of patients with (A) stable and unstable CAD patients compared to healthy controls and (B) unstable CAD with and without anemia were performed. In a follow-up study, the role of percutaneous coronary intervention (PCI) on non-canonical functions of RBCs from patients with unstable CAD as compared to healthy subjects was evaluated additionally.
The cGMP levels increased by NO application with NO-donor diethylamin NONOate (DEA/NO) in a phosphodiesterase (PDE)-dependent manner in healthy human RBCs. In contrast, cGMP levels were independent of arginase activity, eNOS activity, calcium (Ca2+) influx and adenylate cyclase (AC) stimulation. Significant cGMP level increase was observed via sGC stimulation using DEA/NO and sGC stimulator BAY 41-2272 in human RBCs. The effect of NO was diminished by the use of sGC inhibitor 1H-[1,2,4]-oxadiazolo-[4,3-a]-quinoxalin-1-one (ODQ). These results show that human RBCs contain an active sGC. Moreover, sGC activity, sGC responsiveness to NO and further stimulators were preserved in human RBCs with stable or unstable CAD. In accordance, redox regulation and NO metabolism were preserved in RBCs with CAD or unstable CAD with anemia as well. After PCI, the RBCs showed a tendency towards an anti-oxidative change in redox state after 90 days. These results indicate clinical relevance of PCI also for non-canonical features of RBCs.
Overall, present data show that there exists an active sGC and a functional sGC/cGMP signaling in human RBCs. Furthermore, this pathway and response of sGC to NO are fully preserved in CAD despite low NO levels. In addition, NO metabolism and redox state are also preserved in human RBCs with CAD. Hence, RBCs and its signaling provide a new therapeutical approach in pathological conditions such as CVD.
Lizenz:In Copyright
Urheberrechtsschutz
Bezug:Düsseldorf, 2019
Fachbereich / Einrichtung:Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:02.07.2019
Dateien geändert am:02.07.2019
Promotionsantrag am:19.11.2018
Datum der Promotion:12.06.2019
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