Geschlechterunterschiede beim kardialen Remodeling der extrazellulären Matrix durch Laufradtraining und Myokardinfarkt im Mausmodell

Abstract

Herz-Kreislauf-Erkrankungen, besonders der Myokardinfarkt (MI), sind die Haupttodes-ursache im Erwachsenenalter in den Industrieländern. Inzidenz und Mortalität weisen hierbei deutliche Geschlechterunterschiede (GU) auf. Bis zum Eintritt in die Wechseljahre erleiden Frauen nur selten einen MI und auch die Mortalität ist niedriger, postmenopausal gleicht sich das Risiko dem der Männer jedoch sehr schnell an. Die Gründe für die höhere Mortalität des männlichen Geschlechtes scheinen, zumindest im Mausmodell, kardiale Umbauprozesse auf Basis der extrazellulären Matrix (EZM) zu sein. Die Männchen weisen eine ausgeprägtere Leukozyten-Migration als die Weibchen auf und, damit einhergehend, eine stärkere Kollagendegradation, die das höhere Rupturrisiko mitverursacht. Von entscheidender Bedeutung sind hierbei die für den Um- und Abbau der EZM verantwortlichen Matrixmetallo-proteinasen (MMP) und deren endogene Inhibitoren, die sog. Tissue Inhibitors of Matrix Metalloproteinases (TIMP) bzw. deren Missverhältnis. Ein zu starker Matrix- bzw. Kollagen-abbau erhöht das Rupturrisiko und fördert die Dilatation, eine zu starke Akkumulation erhöht hingegen die Gewebesteifheit und schränkt die Pumpfunktion ein. Die protektive Rolle eines Trainingsprogrammes vor und nach einem MI ist vielfach belegt, die Mechanismen sind jedoch nicht vollständig aufgeklärt. Dieser Versuch wurde als Grundlage für eine weiterführende Studie hinsichtlich der erwiesenermaßen protektiven Effekte eines moderaten Sportprogrammes auf die Remodelingprozesse nach einem MI durchgeführt. GU wurden im Tiermodell diesbezüglich noch nicht untersucht. Als Grundlage untersuchte diese Arbeit die GU im MI-Modell und im Modell des freiwilligen Laufradtrainings (LRT). Im MI-Modell war die Mortalität und Rupturrate der männlichen Tiere höher als die der weiblichen. Sie zeigten eine eingeschränktere Dehnbarkeit des Myokards in der Diastole und in Folge dessen eine schlechtere Pumpfunktion. Grund ist vermutlich die stärkere Fibrosierung des nicht-infarzierten Myokards und die damit einhergehende Gewebesteifheit. Diese These wird davon unterstützt, dass die relative Genexpression von Prokollagen I und III nur in den Männchen signifikant höher als in der untrainierten männlichen Kontrollgruppe war. Diese Arbeit zeigte als erste, dass die relative mRNA-Expression von MMP-9 im Mausmodell 14 Tage nach dem MI wieder zurück auf das Basisniveau gesunken war und MMP-2 weiterhin weit darüber lag. Die relative Expression der am Matrixumbau beteiligten Gene zeigte 14 Tage nach dem MI infarktbedingte, jedoch keine geschlechterspezifischen Veränderungen. Außer MMP-9 und TIMP-4 waren alle gemessenen Gene erhöht. Das freiwillige LRT wurde als Sport-Modell gewählt, da es eine stressfreie Variante darstellt und bekannt ist, dass freiwillige und unfreiwillige Trainings-Modelle ein unterschiedliches Set Gene aktivieren. Im LRT-Modell zeigten die Weibchen eine höhere freiwillige Aktivität und eine ausgeprägtere kardiale Hypertrophie pro gelaufenem Kilometer als die Männchen. Als Grund wird eine stärkere Hypertrophie-Reserve diskutiert. Während die trainierten Weibchen die stärkste Zunahme des Körpergewichtes zeigten, wogen die trainierten Männchen nach der Trainingsperiode signifikant weniger als die Kontrollen. Zusätzlich wiesen sie eiine signifikant höhere Herzfrequenz auf als die Kontrolltiere. Der Grund hierfür kann ein stärkeres Streßgefühl sein, welches die LRT-Männchen in Isolation bzw. Einzelhaltung entwickeln. Es verleitet sie zu Rastlosigkeit, die mit einer höheren Energieverbrennung und Fettabbau einhergeht. Hinsichtlich der Umbauprozesse auf Matrixebene gibt es Hinweise auf eine geschlechterspezifische, trainingsbedingte Veränderung v.a. von Prokollagen III, MMP-2 und TIMP-1. Signifikant war aber nur der höhere TIMP-1 Level in den Männchen. Die Trainingsdauer und -intensität scheint für die anderen Tendenzen zu gering zu sein, um das Signifikanzniveau zu erreichen.

Cardiovascular diseases, especially the myocardial infarction, are the major cause of death in industrialized countries. Incidence and mortality show obvious gender-differences. Until menopause, women rarely have myocardial infarctions and mortality is also low. Postmeno-pausal however, the risk adapts quite fast and incidence and mortality rise. The reasons for the higher mortality in males are at least in the mouse model more fatal cardiac adaptations in extracellular matrix remodeling. Male mice show a more pronounced lycocyte migration and collagen degradation, which is jointly responsible for the higher rate of cardiac rupture. Of great influence are the matrix metalloproteinases (MMP) and their endogen inhibitors the Tissue inhibitors of matrix metalloproteinases (TIMP), respectively their imbalance. An exaggerated matrix/collagen degradation promotes the risk for ventricular rupture and advances dilatation, while an augmented collagen accumulation increases myocardial stiffness and leads to a restricted pumpfunction. The protective role of exercise prior to or after myocardial infarction has been described previously. The mechanisms, though, have not been fully understood. The present study was done as a foundation for a model investigating the gender-differences in terms of the protective effects a moderate exercise program has on cardiac remodeling after myocardial infarction. The gender- differences concerning this matter have not been investigated in the animal model before. To gain basic knowledge, a model of myocardial infarction and one of voluntary cage wheel running was studied. In the model of myocardial infarction mortality and left ventricular rupture rate were higher in males. They also showed a more restricted myocardial compliance in diastole, which caused a more severe loss of cardial pumpfunction. At least in parts the more pronounced fibrosis of the non infarcted areas seems responsible, leading to an augmented cardiac stiffness and greater insufficiency. The higher relative genexpression of procollagen I and III was only significantly higher in male mice when compared to the sexmatched control group. This was the first study to show that in the mouse-model 14 days post-infarction the relative genex- pression of MMP-9 had returned to baseline and that MMP-2 was still elevated. Apart from MMP-9 and TIMP-4, all other genes were markedly higher after myocardial infarction. The mRNA-expressionlevels of all measured genes after the infarction were almost exactly alike between the two sexes. The voluntary cage wheel running was chosen as an exercise model, because it is a stress- less alternative to commonly used treadmill and swimming models. Besides it is known, that voluntary and involuntary trainingmodels regulate a different set of genes. In the model of voluntary cage wheel running, female mice showed a higher activity and more pronounced cardiac hypertrophy for every kilometer they ran. A greater hypertrophy reserve is discussed. While the body weight of the female running mice increased mostly over the training period, trained males had a significantly lower body weight and higher heartrate than their sedentary controls. One can proceed from the assumption that this is a symptom of greater stress male mice have shown to suffer during isolated housing. They react in a character-istically hyperactive way, leading to restlessness and an increased consumption of energy. The relative expressions of genes involved in extracellular matrix remodeling indicate a sexspecific, training-dependent mRNA-expression especially of procollagen III, MMP-2 and TIMP-1. Of all changes only the higher TIMP-1 Level in males was significant. It seems that exerciseduration and intensity were too low for these tendencies to reach significance.