Dokument: The role of red blood cells and red blood cell-derived extracellular vesicles in anemia-associated endothelial dysfunction

Titel:	The role of red blood cells and red blood cell-derived extracellular vesicles in anemia-associated endothelial dysfunction
Weiterer Titel:	Die Rolle von roten Blutkörperchen und von roten Blutkörperchen abgeleiteten extrazellulären Vesikeln bei der Anämie-assoziierten Endotheldysfunktion
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=70894
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20251008-125621-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Solga-Kamp, Isabella Maria [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 28,76 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 01.10.2025 / geändert 01.10.2025
Beitragende:	Univ.‐Prof. Dr. med. Malte Kelm [Gutachter] Prof. Dr. Eckhard Lammert [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Zusammenfassung Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD, englisch: cardiovascular diseases), einschließlich des akuten Myokardinfarkts (AMI), sind die weltweit häufigste Todesursache. Verschiedene Pathologien und kardiovaskuläre Risikofaktoren tragen wesentlich zur Entwicklung des AMI bei. Es ist bekannt, dass Endotheliale Dysfunktion (ED) eine wichtige Rolle bei der Entstehung und dem Fortschreiten der zum AMI führenden Atherosklerose spielt. Klinisch wird Anämie, insbesondere die im Krankenhaus entwickelte Anämie (HAA, englisch: hospital-acquired anemia), häufig bei Patienten nach einem AMI diagnostiziert, was oft zu schlechteren Prognosen führt. Die genauen Mechanismen, die dieser Assoziation zugrunde liegen, sind jedoch noch unzureichend verstanden. In dieser Dissertation konzentrierten wir uns in erster Linie auf die Rolle der Anämie in Bezug auf die Endothelfunktion, sowohl unabhängig als auch in Kombination mit AMI. Ein zentraler Aspekt unserer Forschung war die Untersuchung der potenziellen Rolle von roten Blutkörperchen (RBCs, englisch: red blood cells) bei der Induktion von ED, in der Anämie. Um die Forschungsfragen zu beantworten, nutzten wir etablierte Mausmodelle für blutverlustbedingte Anämie, um die bei Patienten beobachtete HAA nachzuahmen, und analysierten zusätzlich Proben von anämischen Patienten und ihren jeweiligen Kontrollgruppen. In Kapitel 2 untersuchten wir den Einfluss von chronischer Blutverlust-Anämie auf die Endothelfunktion. Unsere Ergebnisse zeigten, dass chronische Blutverlust-Anämie mit einer Beeinträchtigung der endothelabhängigen Relaxationsreaktionen sowohl in vivo als auch ex vivo verbunden ist. Dies ging einher mit einer erhöhten systemischen Entzündung und einer gesteigerten Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS, englisch: reactive oxygen species), was zur ED führte. Zudem beobachteten wir eine erhöhte Menge an Myeloperoxidase (MPO), einem Enzym, das oxidativen Stress fördert, in den Gefäßen von chronisch anämischen Mäusen. Die Hemmung von MPO ex vivo oder die Supplementierung der Mäuse mit NAcetylcystein (NAC), einem ROS-Scavenger, verbesserte die Endothelfunktion und unterstreicht die potenzielle Rolle von ROS bei der Anämie assoziierten ED. Darüber hinaus führten RBCs, die von chronisch anämischen Mäusen und anämischen Patienten isoliert wurden, zu ED in isolierten murinen Aorten-Segmenten, was darauf hindeutet, dass dysfunktionale RBCs zusätzlich zur ED bei der Anämie beitragen. In Kapitel 3 untersuchten wir weiter den Einfluss von Anämie auf die ED nach AMI. Wir stellten fest, dass die Endothelfunktion nach einem AMI weiter verschlechtert wird, was zu einer verstärkten ED bei akut anämischen Mäusen in unterschiedlichen arteriellen Blutgefäßen führt, begleitet von einer verringerten flussvermittelnden Dilatation (FMD, englisch: flow-mediated dilation). Darüber hinaus waren die Endothel- und glatte Muskelzellfunktionen bei chronisch anämischen Mäusen nach einem AMI beeinträchtigt, was sich durch verringerte FMD-Antworten und Kontraktionsreaktionen in großen und kleinen Arterien zeigte. Wir beobachteten auch verminderte Nitrat- und Nitrit-Metaboliten (NOx) bei sowohl chronisch als auch akut anämischen Mäusen, was auf eine verringerte Stickstoffmonoxid (NO; Englisch: nitric oxide) -Bioverfügbarkeit hindeutet. Unsere Ergebnisse bestätigten erneut die potenzielle Rolle von RBCs bei der Vermittlung von ED, da Co-inkubationsstudien mit RBCs von anämischen Mäusen 24 Stunden nach AMI sowie von ST-Hebungs-Myokardinfarkt (STEMI, englisch: ST-elevation myocardial infarction) -Patienten eine ED in murinen Aortenringen auslösten. Insgesamt bestätigten die Ergebnisse aus den Kapiteln 2 und 3 die Rolle dysfunktionaler RBCs bei der Vermittlung von ED bei Blutverlustanämie. Darüber hinaus zeigten wir, dass Entzündungen, ROS Produktion und eine verringerte NO-Bioverfügbarkeit die Schlüsselfaktoren dieses Mechanismus sind. In beiden Kapiteln demonstrierten wir auch die positive Wirkung von NAC auf die Endothelfunktion bei Anämie. Der genaue Mechanismus, durch den dysfunktionale RBCs eine ED vermitteln, bleibt jedoch unklar. Um einen möglichen Mechanismus weiter zu untersuchen, konzentrierten wir uns in Kapitel 4 auf die Rolle von erythrozytenabgeleiteten extrazellulären Vesikeln (REVs, englisch: red blood cell-derived extracellular vesicles) bei der Vermittlung einer ED. Um diese Forschungsfrage zu beantworten, entwickelten wir ein neues Isolationsprotokoll für REVs und charakterisierten sie mit verschiedenen Methoden. Wir zeigten, dass anämische REVs von Endothelzellen in vivo aufgenommen werden und eine ED in isolierten murinen Aorten-Segmenten induzieren. Zudem stellten wir fest, dass die Vesikelbildung von REVs bei anämischen Patienten erhöht war und mit einem erhöhten NO-Verbrauch einherging, was auf eine potenzielle Rolle bei der Regulierung der NO-Bioverfügbarkeit hindeutet. Eine durchgeführte Proteomics-Analyse ergab eine Anreicherung von redoxbezogenen Proteinen in REVs aus anämischen Individuen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass REVs aus zirkuierenden dysfunktionalen RBC in der Anämie zusätzlich zur Entwicklung von ED beitragen; dennoch sind weitere detaillierte Untersuchungen erforderlich, um ihre Beteiligungsmechanismen vollständig zu verstehen. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse dieser Dissertation zu einem besseren Verständnis darüber bei, wie Blutverlustanämie die Prognose von CVD und AMI bei Patienten die Endothelfunktion verschlechtern kann. Darüber hinaus könnte eine NAC-Behandlung eine potenzielle therapeutische Strategie zur Verhinderung von vaskulären Komplikationen im Zusammenhang mit Anämie darstellen, da wir in unseren anämischen Mausmodellen eine positive Wirkung auf die Verbesserung der Endothelfunktion beobachtet haben. Erste Erkenntnisse zur Rolle von REVs legen nahe, dass sie bei der anämiebedingten ED eine Rolle spielen könnten, was weitere Untersuchungen rechtfertigt und sie zu potenziellen therapeutischen Zielen bei Anämie und kardiovaskulären Erkrankungen macht. Summary Cardiovascular diseases (CVD), including acute myocardial infarction (AMI), are the leading cause of death worldwide. Various pathologies and cardiovascular risk factors contribute significantly to the development of AMI. Endothelial dysfunction (ED) is very well known to be involved in the progression and development of atherosclerosis leading to AMI. Clinically, anemia, specifically hospital-acquired anemia (HAA), is frequently diagnosed in patients following AMI, often resulting in poor outcomes. However, the precise underlying mechanisms of this this association remain poorly understood. In this thesis, we primarily focused on the role of anemia in relation to endothelial function, both independently and in combination with AMI. A key aspect of our research was to investigate the potential role of red blood cells (RBCs) in mediating ED associated with anemia. To address the research questions, we utilized established blood-loss anemic mouse models to mimic HAA observed in patients, in addition also analysed samples from anemic patients and their respective control groups. In Chapter 2, we investigated the effect of prolonged chronic blood-loss anemia on endothelial function. Our findings revealed that chronic blood-loss anemia is associated with impaired endothelium-dependent relaxation responses both in vivo and ex vivo, which was accompanied by increased systemic inflammation and reactive oxygen species (ROS) production, leading to ED. We also observed elevated abundance of myeloperoxidase (MPO), an enzyme that promotes oxidative stress, in the vessels of chronic anemic mice. The inhibition of MPO ex vivo, or supplementation of mice with N-acetylcysteine (NAC), a ROS scavenger, improved endothelial function, highlighting the potential role of ROS in anemia-mediated ED. Moreover, RBCs isolated from chronic anemic mice and anemic patients induced ED in isolated murine aortic segments, suggesting that dysfunctional RBCs contribute to ED in anemia. In Chapter 3, we further investigated the effect of anemia on ED following AMI. We observed that post-AMI, endothelial function deteriorates, leading to aggravated ED in acute anemic mice across different types of aterial blood vessels, accompanied by decreased FMD responses. In addition, endothelial and smooth muscle function were altered in chronic anemic mice post-AMI, evidenced by decreased FMD responses and contractile responses in large and small resistance arteries. We also observed decreased nitric oxide (NOx) metabolites in both chronic and acute anemic mice indicating decreased NO bioavailability. Our findings further confirmed the potential role of RBCs in mediating ED, as co-incubation studies of RBCs from anemic mice 24 h post-AMI, as well as from ST-elevation myocardial infarction (STEMI) patients, induced ED in murine aortic rings. Together, the results from Chapters 2 and 3 confirmed the role of dysfunctional RBCs in meditating ED in blood-loss anemia. Additionally, we observed that inflammation, ROS production, and reduced nitric oxide (NO) bioavailability are key factors in this mechanism. In both chapters, we also demonstrated a beneficial effect of NAC on improving endothelial function in anemia. However, the precise mechanism by which dysfunctional RBCs mediate ED remains unclear. To further investigate a potential mechanism, in Chapter 4 we focused on the role of red blood cell-derived extracellular vesicles (REVs) in mediating ED. To address this research question, we developed a new isolation protocol for REVs and characterized them using various methods. We demonstrated that anemic REVs are taken up by endothelial cells in vivo and induce ED in isolated murine aortic segments. In addition, we demonstrated that vesiculation of REVs was increased in anemic patients and was associated with increased NO consumption, suggesting a potential role in regulating NO bioavailability. Proteomic analysis revealed an enriched abundance of redox-related proteins in REVs from anemic patients. These results support the hypothesis that REVs derived from circulating dysfunctional RBCs in anemia contribute to the development of ED; however, further detailed investigations are needed to fully understand the mechanisms. In conclusion, the findings of this thesis contribute to a better understanding of how blood-loss anemia may worsen CVD and AMI prognosis in patients by influencing endothelial function. Furthermore, we suggest NAC treatment as a potential therapeutic strategy for preventing vascular complications associated with anemia, as we observed its beneficial effect on improving endothelial function in our anemic mouse models. Early insights into the role of REVs suggest that they may be involved in anemia-associated ED, warranting further investigation, and could serve as potential therapeutic targets in anemia and cardiovascular-related pathologies.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.10.2025
Dateien geändert am:	08.10.2025
Promotionsantrag am:	25.11.2024
Datum der Promotion:	28.04.2025