In recent times there had been findings that Ca2+-kinetics in adjacent cells differ from each other, which might be an aspect that influences the efficiency of Ca2+-mediated cardiac function. In addition, the first subgroups of cardiomyocytes have been identified based on molecular genetic differences. However, little is known about the physiological heterogeneity of the contractile function of isolated cardiomyocytes. In the following, I will answer the question of whether these subgroups can be identified and distinguished by their cellular response, and to what extent intervention in the β-adrenergic signaling cascade influences the variability of the cellular signaling response and contributes to a better understanding of cardiomyocyte heterogeneity. Therefore, I obtained cardiomyocytes by Langendorff isolation from male Wistar rats at an average age of nine weeks. I examined the intracellular Ca2+-kinetics and sarcomere-shortening in stimulated cardiomyocytes, using ratiometric fluorescence microscopy. A control group was compared with one Isoprenaline (β-adrenergic agonist) group and Forskolin (downstream adenylate cyclase agonist) groups. I analyzed the sarcomere length during contraction and relaxation, time to maximal shortening and relaxation time of the sarcomeres, as well as the underlying cytosolic [Ca2+] transient, i.e. Ca2+-transient amplitude, Ca2+-removal time and time to maximal [Ca2+]. Sarcomere length shortening and intracellular Ca2+-dynamics of the untreated cells showed heterogeneity based on the broad scattering of the data collected. Isoprenaline intervention was associated with a positive inotropic response, which was expressed in a significantly greater shortening of the sarcomere length compared to the control group (p < 0.001), as well as a significantly greater increase in Ca2+ amplitude (p < 0.001) and in systolic [Ca2+] (p = 0.0079). The heterogeneity of contractility, measured as the range of the data, was lower for the Isoprenaline group than for the control-, 0.1 µM Forskolin- and 1 µM Forskolin group but was generally larger for the Ca2+ parameters. 1 µM (p < 0.001) and 10 µM (p < 0.001) Forskolin led to a significant increase in sarcomere-shortening compared to the control group. 10 µM Forskolin was associated with a significantly greater sarcomere length shortening with less heterogeneity than the Isoprenaline intervention. There was a significant increase in the Ca2+ amplitude within all Forskolin groups, but no significant difference to the control group. The distribution of individual cellular responses to Isoprenaline and Forskolin respectively indicated subgroups with differing functional reserve. The greater heterogeneity of the data collected in the Isoprenaline group compared to the Forskolin groups suggests contributing factors to heterogeneity in the signaling pathways upstream of the adenylate cyclase.
Jüngst wurde festgestellt, dass sich die Ca2+-Dynamiken benachbarter Kardiomyozyten unterscheiden, was die Effektivität der Ca2+-vermittelten kontraktilen Funktion des Herzmuskels beeinflussen könnte. Zudem lassen sich molekulargenetisch verschiedene Subgruppen an Kardiomyozyten nachweisen. Bisher ist nur wenig über die physiologische Heterogenität der kontraktilen Funktion isolierter Herzmuskelzellen bekannt. In der vorliegenden Arbeit wird die Frage beantwortet, ob sich auch anhand der kontraktilen Funktion Subgruppen identifizieren lassen und inwieweit ein Eingriff in die β-adrenerge Signalkaskade als physiologischer Stressor die Variabilität der zellulären Signalantwort beeinflusst. Hierzu wurden Langendorff-Isolationen der Herzen von neun Wochen alten männlichen Wistar-Ratten durchgeführt. Ich untersuchte die intrazelluläre Ca2+-Dynamik und Sarkomerlängenverkürzung stimulierter Kardiomyozyten mit einem ratiometrischen Fluoreszenzmikroskop. Eine Kontrollgruppe wurde mit einer Isoprenalin (β-adrenerger Agonist) Gruppe sowie mit Forskolin (nachgeschalteter Adenylatcyclase Agonist) Gruppen verglichen. Es wurde die Sarkomerlänge im kontrahierten sowie relaxierten Zustand, die Zeit bis zur maximalen Verkürzung sowie die Relaxationszeit der Sarkomere als auch die zugrundeliegende basale und maximale zytosolische [Ca2+], die Ca2+-Amplitude, die Ca2+ -Entfernungszeit und die Zeit bis zur maximalen [Ca2+] analysiert. Die Sarkomerlängenverkürzung sowie die intrazelluläre Ca2+-Dynamik unbehandelter Zellen wiesen aufgrund der breiten Streuung der erhobenen Daten Heterogenität auf. Die Isoprenalin Intervention ging mit einer positiv inotropen Reaktion einher, welche sich in einer signifikant stärkeren Verkürzung der Sarkomerlänge verglichen mit der Kontrollgruppe (p < 0,001) äußerte, bei einer signifikant größeren Steigerung in der Ca2+-Amplitude (p < 0,001) sowie in der systolischen [Ca2+] (p = 0,0079). Die He- terogenität der Sarkomerlängenverkürzung, gemessen in der Spannweite der Daten, fiel für die Isoprenalin Gruppe geringer aus als für die Kontroll-, 0,1 µM Forskolin und 1 µM Forskolin Gruppe, war jedoch für die Ca2+-Parameter am größten. Die 1 µM (p < 0,001) und 10 µM (p < 0,001) Forskolin Intervention führten zu einer signifikant stärkeren Sarkomerlängenverkürzung als die Kontrollgruppe. Die 10 µM Forskolin Gruppe ging mit einer signifikant stärkeren Sarkomerlängenverkürzung bei gleichzeitig geringerer Heterogenität im Vergleich zur Isoprenalin Intervention einher. In allen Forskolin Gruppen kam es zu einem signifikanten Anstieg der Ca2+ -Amplitude, jedoch ohne signifikanten Unterschied zur Kontrollgruppe. Die Variabilität der zellulären Signalantwort in der Kontroll-, Isoprenalin und Forskolin Gruppe lassen auf funktionelle Subgruppen schließen. Die größere Heterogenität der erhobenen Daten in der Isoprenalin Gruppe verglichen mit den Forskolin Gruppen deutet auf Heterogenitätsfaktoren in den der Adenylatcyclase vorgeschalteten Signalwegen hin.
