Molekulare Untersuchung der Akuteffekte von aktivem und passivem Gefäßsport auf die Expression von Arteriogenese-Biomarkern in zirkulierenden mononukleären Zellen des peripheren Blutes

Abstract

Aufgrund körperlicher Einschränkungen bei kardiovaskulär erkrankten Patienten ist aktiver Gefäßsport als Therapie nur einem Teil der Betroffenen möglich. Diese Patienten könnten von einem passiven Gefäßsport nach dem External Counterpulsation (ECP)- Prinzip profitieren. Erstens kann durch einen anti- arteriosklerotischen Effekt das Auftreten und / oder die Progression kardiovaskulärer Erkrankungen verhindert werden; zweitens können, durch Stimulation von Arteriogenese, die Beschwerden derartig erkrankter Patienten nachweislich gemindert werden. Hierbei spielen insbesondere das in mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) aktivierte Kallikrein- Kinin-System (KKS) sowie die dem Monocyte chemoattractant Protein-1 / C-C -Chemokin-Rezeptor 2 (MCP-1 / CCR2) nachgeschaltete Signalkaskade eine entscheidende Rolle. In dieser Studie wurden die Arteriogenese- Effektormoleküle des KKS (Kallikrein, Kini- nogen, Bradykinin Rezeptor B1 (B1R), Bradykinin Rezeptor B2 (B2R)), sowie von MCP- 1 und CCR2 auf ihre Eignung als molekulare, diagnostische Marker zur Beurteilung eines Trainingseffektes bei Laufbandtraining oder ECP-Therapie untersucht. Hierzu wurde zunächst an einer monozytären THP-1 Zelllinie ein Stimulationsmodell entwickelt, dessen Ergebnisse die Basis für die Analyse der Expressionsregulation in einer anschließend durchgeführten Gefäßsport-Studie bildeten. Der Effekt von aktivem (Laufbandtraining, 30 Minuten) und passivem (ECP-Training, 45 Minuten) Gefäßsport auf die Expression der ausgewählten Arteriogenese-Biomarker wurde an n = 26 jungen (mittleres Alter 23,37 Jahre) gesunden Probanden durchgeführt und das Expressionsprofil dieser Marker in isolierten zirkulierenden PBMCs untersucht. Die Auswertung der Expressionsanalyse nach THP-1 Zell-Stimulation zeigte, dass die Expression der untersuchten Moleküle mittels unterschiedlicher stimulatorischer Reize (Stimulation mittels Granulocyte-colony stimulating factor [G-CSF], Interleukin-1ß [IL- 1ß], Lys-[Des-Arg]-Bradykinin und bakterielles Lipopolysaccharid [LPS]) beeinflusst werden kann. Die Ergebnisse entsprachen am ehesten einer angestoßenen Differenzierung von Monozyten zu Makrophagen. Der Vergleich des Expressionsmusters der im Rahmen der Gefäßsport-Studie aus Vollblut isolierten PBMCs ergab eine generelle Tendenz zur Herunterregulation der untersuchten Parameter. Hierbei zeigten sich insbesondere MCP-1 und CCR2 zwar nicht signifikant, jedoch relevant in ihrer Expression herunterreguliert. Für die Bradykinin- Rezeptoren B1R und B2R konnte ein gegenläufiges Expressionsmuster nachgewiesen werden. Während B1R bei passivem Gefäßsport signifikant hochreguliert wurde, zeigte sich nach aktivem Gefäßsport eher eine Tendenz zur Hochregulation. Die Expression von B2R verhielt sich hierzu exakt gegensätzlich, wobei auch hier nur die Expressions- änderung nach passivem Gefäßsport Signifikanz erreichte. Diese Ergebnisse weisen auf eine anti- arteriosklerotische Wirkung von Gefäßsport bei jungen gesunden Probanden hin. Die hier nach passivem und aktivem Gefäßsport gleichermaßen feststellbare Regulation der untersuchten Parameter erlaubt erstmals den direkten Vergleich beider Therapieformen und legt eine, in ihrer Ausprägung vergleichbare, kardio- / vaskuloprotektive Wirkung nahe.

Active training as a highly effective therapy for patients suffering from cardiovascular diseases is only available for patients in moderate cases. However, patients in higher disease stages could benefit from external counterpulsation (passive training) promoting an anti-arteriosclerotic effect to prevent the formation and / or progression of cardiovascular diseases due to arteriosclerotic lesions. Notably, arteriogenesis, characterised by the shear stress-induced outgrowth of pre-existing collateral vessels to functional con- ductance arteries, is furthermore stimulated. Since the activation of peripheral blood mononuclear cells via the KKS as well as the MCP-1- / CCR2-pathway plays a major role in arteriogenesis, we examined the ability of different biomarkers out of these pathways (Kallikrein, Kininogen, B1R, B2R, MCP-1, CCR2) upon training. We first developed an in vitro cell stimulation model using THP-1 cells. Taking into account the results of the in vitro experiments, we designed and performed a clinical trial with young (mean age 23,37 years) healthy volunteers to examine the effects of active (treadmill, 30 minutes) and passive (ECP, 45 minutes) training on the expression of the aforementioned biomarkers. The in vitro stimulation of THP-1 cells showed that the expression of different molecules of the KKS and the MCP-1- / CCR2-pathways could be affected by different stimuli (G- CSF, IL-1ß, Lys-[Des-Arg]-Bradykinin and LPS) resulting in the induction of cell differen- tiation from monocytes to macrophages. Comparing the expression profiles of PBMCs isolated from whole blood of healthy volunteers before and after active or passive training, we noticed a general tendency of expressional down regulation of the examined parameters. Interestingly, the expression of B1R and B2R seem to reveal an adverse regulation one to the other. While the expression of B1R was significantly up regulated after passive training, active training leaded to a leaning down regulation. The changes in B2R expression have been shown in the opposite direction. These results point out an anti-arteriosclerotic effect of training on young healthy volunteers. In this study, we compared for the first time the impact of active and, respectively, passive training on the expressional regulation of arteriogenesis relevant biomarkers and found a downregulation of both the KKS and the MCP-1- / CCR2-pathway upon both training types.