Universität zu Köln

Effekte von Herzinsuffizienz und Kardiomyopathie-assoziierter Mutationen des Troponin I auf die Kontraktions- und Relaxationskinetik isolierter Kardiomyofibrillen

Krüger, Martina (2003) Effekte von Herzinsuffizienz und Kardiomyopathie-assoziierter Mutationen des Troponin I auf die Kontraktions- und Relaxationskinetik isolierter Kardiomyofibrillen. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In der hier vorgestellten Arbeit wurde eine Methode etabliert bei der exogener, humaner Troponinkomplex in isolierte kardiale Myofibrillen der Maus inkorporiert wurde, was zur nahezu vollständigen Verdrängung der endogenen Isoformen führte. An diesen Myofibrillen wurde die Kinetik der Kontraktion und der Relaxation untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die rekombinanten humanen Troponinisoformen in Myofibrillen der Maus keinen Einfluss auf die Kraftentwicklung und die kinetischen Parameter kACT, kLIN und kREL haben. Das Einfügen der FHC-assoziierten Mutation R145G des hcTnI in isolierte kardiale Myofibrillen der Maus verursacht gegenteilige Effekte. Zum einen führt die Mutation zu erhöhter passiver Kraftentwicklung (Fpass/CSA), und zum anderen zu einer verringerten und verlangsamten Ca2+-induzierten Kraftentwicklung. Zudem führt die Mutation R145G zu einem verlangsamten exponentiellen Kraftabfall. Die Daten lassen vermuten, dass die Mutation R145G zu einer unvollständigen Inhibition der Aktomyosin-Interaktion führt. Gleichzeitig scheint jedoch auch die Ca2+-induzierte Freigabe der Myosinbindestelle beeinträchtigt zu sein, was eine mögliche Erklärung für die beobachtete Verlangsamung der Kontraktion (gegeben durch vergrößerte Werte für kACT) und die verringerte Kraftentwicklung geben könnte. Die hcTnI Mutation G203S dagegen zeigt unter den angewandten Versuchsbedingungen keinen Einfluss auf die kontraktilen Eigenschaften der behandelten Myofibrillen. Des weiteren wurde gezeigt, dass sich das vorgestellte Modell der isolierten Myofibrillenbündel auch zur Untersuchung humaner pathologischer Herzproben eignet. Klinische Studien belegen, dass terminale ICM und DCM in starker kontraktiler Dysfunktion resultieren, an deren Ausprägung möglicherweise die Querbrückenkinetik direkt beteiligt ist. Die hier durchgeführten Untersuchungen der Aktivierungs- und Relaxationkinetik in ICM- bzw. DCM-Herzen demonstrieren, dass verglichen mit nicht-pathologischen Spenderherzen weder die passive Kraft pro Querschnitt (Fpass/CSA) noch die maximale Ca2+-induzierte Kraftentwicklung (Fmax/CSA) der Myofibrillen maßgeblich verändert ist. In Myofibrillen aus ICM-Herzen ist jedoch die Ratenkonstante der Ca2+-induzierten Kraftentwicklung (kACT) signifikant erhöht. Durch die hier angewandte Messtechnik konnte festgestellt werden, dass die myofibrilläre Relaxationskinetik insuffizienter Herzproben generell verlangsamt ist. Bei Proben aus ICM Herzen zeigt sich dieser Effekt in einer deutlich verringerten Ratenkonstante kREL der exponentiellen Relaxationsphase, in DCM Herzen dagegen in einer Verlängerung der initialen linearen Phase der Relaxation. Durch die hier vorgestellte Studie kann somit gezeigt werden, dass DCM und ICM direkte Effekte auf die Querbrückenkinetik isolierter Myofibrillen hat. Sowohl in Myofibrillen aus ICM und DCM-Herzen als auch im FHC-Modell hcTnI R145G ausgetauschter Myofibrillen wurden signifikante Effekte auf den biphasischen Kraftabfall gefunden. Diese Gemeinsamkeit legt die Vermutung nahe, dass es sich bei der beobachteten verlangsamten Relaxation der Myofilamente um ein charakteristisches Motiv des Krankheitsbildes einer Kardiomyopathie handeln könnte.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    We investigated the consequences of the human cardiac troponin I (hcTnI) mutations R145G and G203S related to familial hypertrophic cardiomyopathy (FHC) on cross-bridge kinetics. The 3 recombinant hcTn subunits were purified, reconstituted to the functional Tn complex and incorporated into subcellular myofibrillar bundles prepared from mouse papillary muscle whereby the endogenous Tn complex was replaced. Myofibrils reconstituted with hcTnI R145G showed increased Ca2+-sensitivity and reduced maximum force per cross-sectional area (Fmax/CSA) compared to those reconstituted with wild-type hcTnI (WT). The rate constants of Ca2+-induced force development (kACT) and of the rapid exponential phase of relaxation induced by sudden Ca2+-removal (kREL) were both significantly reduced in hcTnI R145G reconstituted myofibrils compared to WT. In contrast, myofibrils containing hcTnI G203S did not show significant alterations in Ca2+-sensitivity, Fmax/CSA, kACT and kREL. Our data provide first evidence that FHC associated mutations of hcTnI can cause primary effects on sarcomeric function by altering the kinetics of a myofibrillar contraction-relaxation cycle, the effect depending on the individual mutation Clinical studies have shown, that endstage ischemic cardiomyopathy (ICM) and dilated cardiomyopathy (DCM) both lead to severe contractile dysfunctions to which, as reported here, altered crossbridge kinetics may contribute. Ca2+-induced force development in isolated myofibrils (MF) from ICM hearts, but not from DCM hearts is significantly increased compared to those from non-failing (NF) donor hearts. Furthermore the biphasic relaxation upon rapid Ca2+-removal is altered. The initial linear phase (tLIN) is significantly prolonged in DCM hearts whereas the subsequent exponential phase (kREL) remains unaltered. Interestingly, ICM hearts developed no changes in the initial slow phase, but a severely impaired exponential relaxation. The present study demonstrates, that DCM and ICM directly affect the kinetics of force decay in isolated myofilaments.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Krüger, Martinamartina.krueger@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-10243
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Troponin I , Kardiomyopathie , Myofibrillen , Kraftmessungen , Muskelkinetik ,German
    troponin I , cardiomyopathy , heart failure , myofibrils , force measurementsEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Vegetative Physiologie
    Language: German
    Date: 2003
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 03 November 2003
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 03 Dec 2003 16:24:28
    Referee
    NameAcademic Title
    Pfitzer, GabrieleProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1024

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