Dokument: Der Einfluss einer Blutverlustanämie auf die Herzfunktion und das Energieungleichgewicht nach einem akuten Myokardinfarkt

Titel:	Der Einfluss einer Blutverlustanämie auf die Herzfunktion und das Energieungleichgewicht nach einem akuten Myokardinfarkt
Weiterer Titel:	The effect of blood loss anemia on heart function and energy imbalance after acute myocardial infarction
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=71524
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20251201-085318-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Yogathasan, Vithya [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,21 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 24.11.2025 / geändert 24.11.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Dr. med. Christian Jung [Gutachter] Prof. Dr. Axel Gödecke [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Hintergrund: Anämie tritt häufig bei Patienten mit kardiovaskulären Erkrankungen (CVD) wie akuten und chronischen Koronarsyndromen sowie Herzinsuffizienz auf. Anämie, allein oder in Kombination mit anderen Komorbiditäten, führt zu einer ungünstigen Prognose beim akuten Myokardinfarkt (AMI). Frühere Studien an anämischen Mausmodellen und Patientendaten zeigten, dass Anämie mit einer unveränderten Infarktgröße, jedoch mit einer erhöhten Mortalität assoziiert ist. Der Einfluss von Anämie auf den Energiestoffwechsel im linken Ventrikel (LV) nach AMI wurde bisher nicht untersucht. Anämie ist mit einer Dysfunktion der roten Blutkörperchen (RBCs) assoziiert. Unter physiologischen Bedingungen exprimieren RBCs funktionell aktive endotheliale Stickstoffmonoxid-Synthasen (eNOS), die unabhängig vom endothelialen eNOS zur Regulation des Blutdrucks beiträgt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass RBC eNOS während eines AMI kardioprotektiv ist. Wir vermuten, dass ein Energieungleichgewicht bei Anämie zur LV-Dysfunktion nach AMI beiträgt und damit zu einer schlechteren Prognose führt. Zudem vermuten wir, dass Anämie die Funktion von RBC-eNOS im Gefäßsystem und im Herzen verändert. Ziele und Methoden: Das erste Ziel dieser Studie ist die Untersuchung des Energiestoffwechsels bei Anämie nach AMI im LV. Zu diesem Zweck wurden die Herzfunktion und die kardiale Energetik mittels Echokardiographie und kardialer Magnetresonanztomographie (CMRI) bei anämischen und nicht-anämischen Mäusen mit und ohne AMI gemessen. Anschließend wurde eine unvoreingenommene proteomische Analyse an isolierten LV-Geweben von anämischen und nicht-anämischen Mäusen mit und ohne AMI durchgeführt. Um regionale Unterschiede in den Proteomprofilen der LV-Gewebe nach AMI zu identifizieren, wurde die Proteomanalyse in der remote (nicht-infarktbetroffenen) und ischämischen (infarktbetroffenen) Region des LV-Gewebes durchgeführt. Zur genaueren Analyse der Veränderungen der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) wurde eine Respirometrie-Analyse in den ischämischen und remote Regionen der LV-Gewebe von anämischen und nicht-anämischen Mäusen mit und ohne AMI durchgeführt. Biochemische Assays dienten der Bestimmung redoxaktiver Enzyme in den LV-Geweben, um den Redoxstatus in Anämie zu untersuchen. Zur Beurteilung der möglichen Rolle reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) bei der LV-Dysfunktion in Anämie wurden zusätzlich Respirometrie-Messungen in LVs von N-Acetylcystein (NAC) behandelten anämischen und nicht-anämischen Mäusen nach AMI durchgeführt. Schließlich wurden zur Untersuchung der möglichen Rolle von RBCs bei der Beeinträchtigung der LV-Funktion in Anämie RBCs ex vivo mit Herzen von Wildtypmäusen im Langendorff-System inkubiert. Diese Herzen wurden einer globalen Ischämie und Reperfusion unterzogen und anschließend mittels hochauflösender Respirometrie analysiert. Das zweite Ziel der Studie war die Untersuchung des Einflusses von Anämie auf die RBC eNOS Funktion in Bezug auf Gefäß- und Herzfunktion. Hierzu wurden die funktionellen Konsequenzen einer RBC-spezifischen eNOS-Deletion auf die Hämodynamik und Herzleistung im Kontext einer blutverlustinduzierten Anämie analysiert. Anämie wurde in RBC eNOS Knockout (KO) Mäusen und deren Kontrollgruppen induziert. Die hämodynamischen Parameter wurden mittels invasiver Millar-Katheterisierung bestimmt. Die Gefäßfunktion wurde sowohl in vivo mittels flussvermittelter Dilatation (FMD) als auch ex vivo mittels Wiremyographie isolierter Gefäße untersucht. Zur Bewertung der Rolle von RBC eNOS nach AMI wurden Mäuse einer Ischämie-Reperfusions (I/R) Operation unterzogen. Die Herzfunktion wurde in vivo durch transthorakale Echokardiographie überwacht und die Infarktgröße mittels TTC-Färbung bestimmt. Ergebnisse: Echokardiographische Daten zeigten eine adaptive Herzfunktion bei anämischen Mäusen ohne AMI, erkennbar an Veränderungen von endsystolischem Volumen (ESV), Ejektionsfraktion (EF), Schlagvolumen (SV) und Herzzeitvolumen (CO). CMRI-Messungen im basalem Zustand, nach 3 Tagen Anämie sowie 24 h nach AMI zeigten, dass das PCr/ATP-Verhältnis in der Ruhephase und nach 3 Tagen Anämie unverändert blieb. Nach AMI wurden in der remote Region weder Veränderungen im PCr/ATP- noch im Pi/ATP-Verhältnis bei anämischen und nicht-anämischen Mäusen festgestellt. In der ischämischen Region war das PCr/ATP-Verhältnis jedoch signifikant reduziert und das Pi/ATP-Verhältnis signifikant erhöht bei anämischen Mäusen im Vergleich zu nicht-anämischen 24 h nach AMI. Die fraktionelle Verkürzung, ein Maß für die Kontraktilität, war im basalem Zustand, nach 3 Tagen Anämie sowie in der remote Region unverändert zwischen beiden Gruppen, jedoch signifikant vermindert in der ischämischen Region bei anämischen Mäusen im Vergleich zu nicht-anämischen. Die Proteomanalyse zeigte, dass Proteine des Energiestoffwechsels und mitochondriale Proteine in der remote Region anämischer Mäuse nach AMI weniger stark betroffen waren. In der ischämischen Region wurde jedoch ein kompensatorischer Anstieg von mitochondrialen Proteinen bei anämischen Mäusen festgestellt. Die hochauflösende Respirometrie von isolierten LV-Geweben ergab, dass der Respiratorische Kontrollquotient (RCR CouplingFNS), ein Maß für die OXPHOS-Effizienz, in der remote Region zwischen den Gruppen unverändert war, jedoch in der ischämischen Region bei anämischen Mäusen signifikant verringert war. Der oxidative Stress war bei anämischen Mäusen ohne AMI erhöht, was sich in reduzierter Aktivität von Redoxenzymen (z. B. Superoxiddismutase, SOD) und verringerten Glutathion Konzentration äußerte. Außerdem zeigte sich eine Tendenz zur erhöhten Aktivität des ROS-fördernden Enzyms Myeloperoxidase (MPO) in Anämie. Nach AMI war der oxidative Stress in der remote Region von anämischen Mäusen im Vergleich zu nicht-anämischen erhöht, erkennbar an verminderter Glutathion Konzentration und signifikant erhöhter MPO-Aktivität. In der ischämischen Region war die MPO-Aktivität 24 h nach AMI ebenfalls signifikant erhöht bei anämischen Mäusen. Anämische Mäuse, die mit NAC behandelt wurden, zeigten einen unveränderten RCR CouplingFNS in der remote Region und einen normalisierten RCR CouplingFNS in der ischämischen Region im Vergleich zu nicht-anämischen Mäusen. RBCs von anämischen Patienten, die ex vivo 40 Minuten lang mit Wildtypherzen im Langendorff-System inkubiert wurden, beeinträchtigten die mitochondriale Atmung unter globaler I/R nicht. Die funktionelle Analyse der RBC-eNOS-Defizienz bei Anämie ergab Folgendes: In vivo zeigte sich, dass FMD-Reaktionen bei RBC-eNOS-KO-Mäusen unter Basal- und Anämiebedingungen erhalten blieben. Ex vivo war die endothelabhängige Relaxation (EDR) in isolierten Aortenringen ebenfalls bei anämischen RBC-eNOS-KO-Mäusen erhalten. Blutdruckmessungen zeigten, dass sowohl systolischer als auch diastolischer Blutdruck bei nicht-anämischen RBC-eNOS-KO-Mäusen signifikant erhöht war, jedoch bei anämischen RBC-eNOS-KO-Mäusen im Vergleich zu Kontrollmäusen unverändert blieb. Echokardiographische Untersuchungen zu verschiedenen Zeitpunkten zeigten eine erhaltene Herzfunktion in allen Gruppen. Die TTC-Färbung ergab jedoch eine signifikant größere Infarktgröße bei anämischen RBC-eNOS-KO-Mäusen im Vergleich zu anämischen Kontrollen, entsprechend früheren Beobachtungen unter nicht-anämischen Bedingungen. Fazit: Zusammenfassend deuten die Ergebnisse dieser Studie darauf hin, dass erhöhter oxidativer Stress bei Anämie, nachweisbar durch erhöhte MPO-Aktivität, die mitochondriale Atmung und ATP-Verfügbarkeit in regionalen Myokardarealen beeinträchtigt, was zu einer gestörten Energetik und reduzierter fraktioneller Verkürzung in der ischämischen Region nach AMI führt. NAC-Behandlung in Anämie führte zu einer Erhaltung der mitochondrialen Atmung in der ischämischen Region. Somit spiegelt NAC eine potenzielle therapeutische Option zur Behandlung des gestörten Energiemetabolismus bei Anämie nach AMI wider. Die reduzierte Erythrozytenzahl bei Anämie kompensiert den Blutdruckanstieg, der durch die Deletion von eNOS in RBCs verursacht wird. Trotz erhaltener Herzfunktion führt der eNOS-Mangel in RBCs zu einer vergrößerten Infarktgröße bei Anämie. Background: Anemia is frequently observed in patients with cardiovascular diseases (CVD) such as acute and chronic coronary syndromes as well as heart failure. Anemia alone or in combination with other morbid conditions leads to poor prognosis in acute myocardial infarction (AMI). Previous studies on anemic mouse models and patient data demonstrated that anemia is associated with an unchanged infarct size but with an increased mortality. The effect of anemia on energy metabolism in the left ventricle (LV) after AMI has not been investigated. Anemia is associated by red blood cell (RBC) dysfunction. Under physiological function RBCs express functionally active endothelial nitric oxide synthase (eNOS), which contributes to the regulation of blood pressure (BP) independently of endothelial-derived eNOS. Moreover, RBC-derived eNOS has been shown to exert cardioprotective effects during AMI. We hypothesise that energy imbalance in anemia contributes to LV dysfunction in AMI leading to worse prognosis and that RBC eNOS deficiency worsens vascular and cardiac function in anemia. Aims and Methods: This study’s first aim is to assess the energy metabolism in anemia after AMI in the LV. For this purpose, cardiac function and cardiac energetics were assessed using echocardiography and cardiac magnetic resonance imaging (CMRI) in anemic and non-anemic mice with and without AMI. Next, unbiased proteomic analysis was performed in isolated LV tissues from anemic and non-anemic mice with and without AMI. To identify the regional differences in the proteome profiles of LV tissues after AMI, proteomic profiles of remote (non-infarcted area) and ischemic region (infarcted area) were compared between anemic and non-anemic mice. To attain details on oxidative phosphorylation (OXPHOS) changes, respirometry analysis was performed in LV tissues of anemic and non-anemic mice with and without AMI in the ischemic and remote region. Biochemical assays were used to evaluate redox enzymes in LV tissues from anemic and non-anemic mice, both with and without AMI, to investigate the redox state of LV tissues following anemia. Next, to evaluate the potential role of reactive oxygen species (ROS) in mediating LV dysfunction in anemia, respirometry analysis was performed in N-acetyl cysteine (NAC) supplemented anemic and non-anemic mice after AMI. Finally, to assess the potential role of anemic RBCs in mediating LV dysfunction in anemia, RBCs were incubated with wild type mice hearts in an ex vivo Langendorff system. These hearts were subjected to global ischemia and reperfused for 60 min after which high resolution respirometry analysis was performed. Furthermore, the second aim of this study is to assess the effects of anemia on RBC eNOS in vascular and cardiac function. In this study, we examined the functional consequences of RBC-specific eNOS deletion on hemodynamics and cardiac performance in the context of blood loss-induced anemia. Anemia was induced in RBC-specific eNOS knockout (KO) mice and their corresponding control littermates. Hemodynamic parameters were assessed using invasive Millar catheterization. Vascular function was evaluated both in vivo, via flow-mediated dilation (FMD), and ex vivo, using wire myography of isolated aortic rings. To investigate the role of RBC-derived eNOS following AMI, mice were subjected to ischemia-reperfusion (I/R) surgery. Cardiac function was monitored in vivo by transthoracic echocardiography, and myocardial injury was quantified by 2,3,5-triphenyltetrazolium chloride (TTC) staining to determine infarct size. Results: Echocardiography data demonstrated an adapted cardiac function in anemic mice without AMI, evidenced by increased end-systolic volume (ESV), ejection fraction (EF), stroke volume (SV) and cardiac output (CO). After AMI induction anemic mice showed decreased EF and increased ESV compare to non-anemic mice. Assessment of heart function using cardiac magnetic resonance imaging (CMRI) at baseline, 3 days of anemia and 24 h after AMI demonstrated that anemia was associated with an unchanged PCr/ATP ratio at base line and 3 days after anemia. After AMI induction, no changes in PCr/ATP and Pi/ATP were observed in the remote region of anemic mice compared to non-anemic mice. In the ischemic region, PCr/ATP ratio was significantly reduced, and Pi/ATP ratio was significantly increased 24 h post-AMI in anemic mice compared to non-anemic mice. The fractional shortening, an indicator for contractile function, at base line, 3 days after anemia in the remote region was unchanged in anemic and non-anemic mice. Interestingly, the fractional shortening was significantly decreased in the ischemic region of anemic mice compared to non-anemic mice 24 h post-AMI. Proteomic analysis of LV tissues revealed that energy metabolism and mitochondria related proteins were less affected in the remote region of anemic mice after AMI. However, compensatory increase in mitochondrial respiration related proteins was observed in the ischemic region of anemic mice compared to non-anemic mice. Functional high resolution respirometry analysis of isolated LV tissues revealed that respiratory control ratio (RCR) CouplingFNS, an indicative of OXPHOS efficiency, was unchanged in the remote region of anemic and non-anemic mice. In the ischemic region of anemic mice RCR CouplingFNS was significantly decreased compared to non-anemic mice. Oxidative stress was increased in LVs of anemic mice compared to non-anemic mice without AMI, indicated by decreased redox enzyme, namely superoxide dismutase (SOD), activity and reduced glutathione concentration. Additionally, a tendency towards increased ROS promoting enzyme, myeloperoxidase (MPO), activity was observed in anemic mice compared to non-anemic mice without AMI. After AMI, oxidative stress was increased in the remote region of anemic mice compared to non-anemic mice, as glutathione concentration was decreased. Furthermore, MPO activity was significantly increased in the remote region of anemic mice compared to non-anemic mice 24 h post-AMI. Similarly, in the ischemic region of anemic mice 24 h post-AMI, oxidative stress promoting MPO activity was significantly higher. Anemic mice treated with NAC, showed unchanged RCR CouplingFNS in the remote region of anemic and non-anemic mice in high-resolution respirometry analysis. Interestingly, RCR CouplingFNS was preserved in the ischemic region of NAC treated anemic mice compared to non-anemic mice 24 h post-AMI. Anemic patient’s RBCs, which were incubated for 40 min with wild type mice hearts ex vivo using a Langendorff system, did not affect mitochondrial respiration in LVs subjected to global I/R. The functional analysis of RBC eNOS deficiency on cardio vascular function under anemic condition revealed the following observations: In vivo vascular function assessment of FMD showed that RBC-eNOS-KO mice maintained FMD responses under both baseline and anemic conditions. Similarly, ex vivo assessment of endothelium-dependent relaxation (EDR) in isolated aortic rings using wire myography demonstrated preserved EDR in anemic RBC-eNOS-KO mice. Blood pressure measurements using a Millar catheter showed that both systolic and diastolic BP were significantly elevated in non-anemic RBC-eNOS-KO mice, while BP remained unchanged in anemic RBC-eNOS-KO mice compared to controls. Echocardiographic analysis conducted at baseline, 3 days post-anemia induction, and 24 h after AMI demonstrated preserved cardiac function across all mice groups. However, infarct size analysis using TTC staining revealed a significantly increased infarct area in anemic RBC-eNOS-KO mice compared to anemic controls, consistent with prior observations under non-anemic conditions. Conclusion: Taken together, findings of this study suggest that increased oxidative stress, evidenced by elevated MPO activity, in anemia impairs regional mitochondrial respiration and ATP availability in LVs. This results in altered cardiac energetic state and fractional shortening in the ischemic region after AMI. Anemic mice supplemented with NAC showed improved mitochondrial respiration in the ischemic region 24 h post-AMI. Therefore, NAC might be a potential therapeutic option to reverse altered energy imbalance in anemia after AMI. Reduction in RBC number in anemia mitigates the increase in blood pressure caused by the deletion of eNOS in RBCs. Despite of unchanged heart function, RBC eNOS deficiency results in increased infarct size in anemia.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	01.12.2025
Dateien geändert am:	01.12.2025
Promotionsantrag am:	30.07.2025
Datum der Promotion:	19.11.2025