Dokument: Impact of HIF-1α-signalling in cardiac fibroblasts on the healing process after myocardial infarction
| Titel: | Impact of HIF-1α-signalling in cardiac fibroblasts on the healing process after myocardial infarction | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=70037 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20250708-140808-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Steinhausen, Julia [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. med. Schrader, Jürgen [Gutachter] Prof. Dr. Lammert, Eckhard [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Cardiac fibroblasts, HIF-1α, myocardial infarction | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | Ischämische Herzkrankheiten, einschließlich des Myokardinfarkts (MI), stellen weltweit die häufigste Todesursache dar. Ein Herzinfarkt geht mit einer Herzfibrose einher, die zu einer umfangreichen Ablagerung von extrazellulärer Matrix (ECM) führt, was wiederum eine Versteifung des Herzens, eine schwerwiegende Beeinträchtigung der Herzfunktion und schließlich Herzversagen (HF) und Tod zur Folge hat. Schlüsselakteure beim Umbau des Herzgewebes nach einem Infarkt sind die kardialen Fibroblasten (CFs), welche aktiviert werden (aCFs), die Ablagerung der ECM vermitteln und die zelluläre Reaktion durch die Ausschüttung parakriner Signale orchestrieren. Während eines ischämischen Ereignisses, wie einem Herzinfarkt, spielt der Transkriptionsfaktor Hypoxie-induzierbarer Faktor 1 (HIF-1) eine entscheidende Rolle bei der Anpassung der Zellen an die Hypoxie, indem er zum Beispiel den Energiestoffwechsel auf Glykolyse umstellt. HIF-1 ist ein Dimer aus einer α-Untereinheit (HIF-1α), die unter normoxischen Bedingungen in der Regel dem proteasomalen Abbau unterliegt und einer konstant exprimierten β-Untereinheit (HIF-1β). Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Stabilisierung von HIF-1α ein kardio-protektives Potenzial hat und das kardiale Ergebnis nach einem MI verbessern kann. Die spezifische Rolle der HIF-1α-Stabilisierung in aCFs nach einem MI ist jedoch bisher nicht untersucht worden. Ziel dieser Studie war es daher, die HIF-1-Signalübertragung in CFs und aCFs zu charakterisieren, um Unterschiede in ihrer Reaktion zu untersuchen, insbesondere im Hinblick auf die HIF-1-gesteuerte Expression von glykolytischen Enzymen, ECM-Proteinen und parakrinen Faktoren. Anhand eines MI-Mausmodells (50-minütige Ischämie mit anschließender Reperfusion) zur Aktivierung von CFs wurden drei verschiedene hypoxieabhängige oder -unabhängige Ansätze zur Induktion der HIF-1α-Expression in vitro und in vivo angewandt. Darüber hinaus wurden die HIF-1-vermittelten Effekte in aCFs im Vergleich zu CFs auf der Ebene der Genexpression, aber auch funktionell analysiert. (I) Die extrazelluläre Flux-Analyse mittels Seahorse zeigte, dass die HIF-1α-Induktion in vitro durch eine 24-stündige Aktivierung des Adenosinrezeptors A2BR die glykolytische Rate erhöhte und den Sauerstoffverbrauch sowohl in CFs (aus gesunden Herzen) als auch in aCFs (aus Herzen 5 Tage nach MI) in ähnlichem Maße verringerte. Ohne exogene HIF-1α-Induktion zeigten aCFs jedoch eine höhere glykolytische Rate als CFs, was eine Folge der höheren Proliferationsrate von aCFs sein könnte. (II) Quantitative Real-Time PCR (qRT-PCR) Analysen zeigten, dass die in vitro HIF-1α-Induktion durch Inkubation bei 1% O2 für 6 Stunden die Genexpression glykolytischer Enzyme in aCFs stärker erhöhte als in CFs, was auf eine schnellere HIF-1-vermittelte Anpassung an Hypoxie in aCFs schließen lässt. (III) Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNAseq) bei 5 Tagen nach MI zeigte, dass die in vivo aCF-spezifische HIF-1α-Induktion durch Expression eines mutierten HIF-1α-Proteins, das dem proteasomalen Abbau entgeht, in einer transgenen Mauslinie (Postn-Hif-1αdPA) die Anzahl der aCFs erhöhte und die Expression von ECM-Proteinen sowie von parakrinen pro-angiogenen Faktoren verstärkte. Dies ging mit einer vorübergehenden Verbesserung der Herzfunktion am Tag nach dem Infarkt im Vergleich zu Mäusen ohne Hif-1αdPA-Expression einher, die mittels Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht wurde. Insgesamt wurden in dieser Studie eine Reihe von Gemeinsamkeiten und Unterschieden in der HIF-1-Reaktion zwischen CFs und aCFs festgestellt. Die HIF-1α-Induktion sowohl bei CFs als auch bei aCFs führte zu einer Umstellung des Energiestoffwechsels auf die zellschützende Glykolyse, wobei aCFs anfälliger für die Regulierung der Genexpression glykolytischer Enzyme zu sein schienen. Die Induktion von HIF-1 in aCFs nach einem MI verstärkte nicht nur die Genexpression von ECM-Proteinen und pro-angiogenen Faktoren, die wahrscheinlich die Gewebereparatur fördern, sondern verbesserte auch die Herzfunktion in der akuten Phase nach einem MI. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der HIF-1-Signalübertragung in aCFs als vielversprechendes therapeutisches Ziel zur Förderung der Herzheilung und zur Verbesserung des negativen kardialen Outcomes nach MI.Ischemic heart diseases including myocardial infarction (MI) are representing the leading cause of death worldwide. MI is associated with cardiac fibrosis that results in extensive extracellular matrix (ECM) deposition, leading to cardiac stiffness, severe impairment of cardiac function and eventually heart failure (HF) and death. Key players in cardiac tissue remodelling post MI are cardiac fibroblasts (CFs), which become activated (aCFs), mediate ECM deposition, and orchestrate the cellular response by secreting paracrine signals. During an ischemic event such as MI, the transcription factor hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) plays a crucial role in the adaption of cells to hypoxia, for example by switching the energy metabolism to glycolysis. HIF-1 is a dimer of an α-subunit (HIF-1α), which is usually subject to proteasomal degradation under normoxic conditions, and a steadily expressed β-subunit (HIF-1β). Several studies have shown that the stabilisation of HIF-1α has cardioprotective potential and can improve cardiac outcome post MI. The specific role of HIF-1α stabilisation in aCFs post MI, however, has not been explored so far. Thus, the aim of this study was to characterise HIF-1 signalling in CFs and aCFs to explore differences in their response, especially with respect to HIF-1-controlled expression of glycolytic enzymes, ECM proteins and paracrine factors.
Using an MI mouse model (50 min ischemia followed by reperfusion) to activate CFs, three different hypoxia-dependent or -independent approaches were applied to induce HIF-1α expression in vitro as well as in vivo. In addition, HIF-1-mediated effects were analysed in aCFs in comparison to CFs at the level of gene expression but also functionally. (I) Seahorse extracellular flux analysis showed that in vitro HIF-1α induction by adenosine receptor A2BR activation for 24 h increased the glycolytic rate and decreased oxygen consumption in both CFs (from healthy hearts) and aCFs (from hearts 5 days post MI (dpMI)) to a similar extent. Without exogenous HIF-1α induction, however, aCFs showed a higher glycolytic rate than CFs, which might be a consequence of the higher proliferation rate of aCFs. (II) Quantitative Real-Time PCR (qRT-PCR) analysis revealed that in vitro HIF-1α induction by incubation at 1% O2 for 6 h enhanced gene expression of glycolytic enzymes in aCFs more profoundly than in CFs, which suggests a faster HIF-1-mediated adaption to hypoxia in aCFs. (III) Single-cell RNA sequencing (scRNAseq) at 5 dpMI revealed that in vivo aCF-specific HIF 1α induction by expression of a mutated HIF-1α protein escaping proteasomal degradation in a transgenic mouse line (Postn-Hif-1αdPA) increased the number of aCFs and intensified the expression of ECM proteins as well as paracrine pro-angiogenic factors. This was accompanied by a transient improvement of cardiac function parameters at 1 dpMI in comparison to mice without Hif-1αdPA expression as assessed by magnetic resonance imaging (MRI). Together, this study identified a variety of similarities and differences in the HIF-1 response between CFs and aCFs. HIF-1α induction in both CFs and aCFs switched their energy metabolism to cell-protective glycolysis, but aCFs seemed to be more susceptible to regulation of glycolytic enzyme gene expression. HIF-1 induction in post-MI aCFs not only enhanced gene expression of ECM proteins as well as pro-angiogenic factors, which likely promote tissue repair, but also improved cardiac function in the acute phase after MI. These findings add substantial emphasis on HIF-1 signalling in aCFs as promising therapeutic target to promote cardiac healing and ameliorate adverse cardiac outcome after MI. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 08.07.2025 | |||||||
| Dateien geändert am: | 08.07.2025 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 19.11.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 31.03.2025 |
