KCNE2-Deletion führt zu Herzinsuffizienz im Mausmodell

Abstract

Die Herzinsuffizienz betrifft vor allem ältere Menschen und geht mit einer schlechten Prognose einher: Die Patienten müssen häufig stationär behandelt werden, nur die Hälfte von ihnen überlebt länger als fünf Jahre nach der Diagnosestellung. Neben der koronaren Herzerkrankung und der arteriellen Hypertonie sind auch genetische Mutationen mögliche Ursachen einer Herzinsuffizienz. KCNE2 ist ein Gen, das für eine Untereinheit von Kaliumkanälen kodiert. Aufgrund des ubiquitären Vorkommens von Kaliumkanälen führt die KCNE2-Deletion u. a. zu einer Hyperplasie des Magens, einer Hypothyreose sowie einem Multisystemsyndrom mit Artherosklerose, Anämie und plötzlichem Herztod. Ein Zusammenhang zwischen einer KCNE2-Deletion und der Entstehung einer Herzinsuffizienz wurde bisher noch nicht beschrieben, obwohl gerade im Herzen Ionenkanäle eine entscheidende Rolle spielen. Ziel der vorliegenden Arbeit war der Beweis der Hypothese, dass es durch globalen KCNE2-Knockout über Änderung des elektrischen Phänotyps auch zu der Ausbildung einer Herzinsuffizenz kommen kann. Außerdem wurden zugrunde liegende Mechanismen dieser Herzinsuffizienz charakterisiert. Dazu wurden Knockout- Tiere aus einer eigenen kcne2-/--Mauszucht untersucht und mit Wildtypkontrollen verglichen. Mittels Echokardiographie und Langendorff- Technik wurden Kontraktion, Relaxation und Wanddicken in vivo und am isolierten Herz untersucht. Mit dem IonOptix-System wurden Änderungen der Calciumtransienten sowie die Zellverkürzung von isolierten Kardiomyozyten während der Kontraktion gemessen. Die Funktion des L-Type Calcium Channel (LTCC) wurde mit der Patch-Clamp Technik analysiert. Auf molekularer Ebene wurde die Aktivität von Calcineurin sowie der Ca2+/Calmodulin-dependent Protein Kinase II delta (CaMKIIdelta) bestimmt. Zur Untersuchung des Einflusses extrakardialer Effekte wurden die Schilddrüsenhormone und C-Peptidlevel im Serum gemessen. Die KCNE2-Deletion führte zu einer fast 50%igen Mortalität nach einem Jahr. In jungen Tieren waren auf molekularer Ebene eine erhöhte Calcineurin- und CaMKIIdelta-Aktivität als Vermittler einer kardialen Hypertrophie nachweisbar. Zusätzlich wurde in diesen jungen Tieren ein erhöhter Calciumstrom durch den LTCC und eine Hyperinsulinämie gemessen. Im Alter von zwölf Monaten zeigte sich eine kardiale Dilatation mit verminderter linksventrikulärer Ejektionsfraktion und reduziertem Fractional Shortening der kcne2-/--Tiere. Mittels Echokardiographie konnte der Übergang von einer exzentrischen kardialen Hypertrophie in eine Dilatation des linken Ventrikels im Alter von 9-12 Monaten nachgewiesen werden. Die KCNE2-Deletion führte über einen komplexen Vorgang zu einer Calcium-induzierten Hypertrophie und zu einer Herzinsuffizienz mit teils letalem Ausgang im Alter. Als potentielle Auslöser der Hypertrophie wurden eine veränderte Funktion des LTCC sowie eine Hyperinsulinämie gefunden. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit eine direkte Verbindung zwischen der Deletion einer Kaliumkanaluntereinheit und der Entstehung einer Herzinsuffizienz gezeigt werden.

Heart failure is a disease that mainly affects elderly people. Patients are often hospitalized and the prognosis is poor: Every other patient dies in five years after being diagnosed with heart failure. Among the causes of heart failure are coronary artery disease, arterial hypertension and genetic disorders. KCNE2 is a gene coding for an ancillary subunit of voltage gated potassium channels. Potassium channels are ubiquitiously expressed in mammals and have different functions throughout the body. Deletion of KCNE2 in the mouse results in gastric hyperplasia, hypothyroidism, artherosclerosis, anemia and predisposition to sudden cardiac death. So far, no direct link between deletion of KCNE2 and heart failure has been shown, despite the important role of potassium channels for action potential generation. The aim of the current study was to prove that global knockout of KCNE2 leads to heart failure via a change of electrophysiological properties. Furthermore, we tried to elucidate the underlying mechanisms of this phenomenon. Kcne2-/--mice were bred and compared with wildtyp littermates. Contraction, relaxation and wall diameters were analyzed using echocardiography and the isolated heart technique. Furthermore, contraction, calcium transients and calcium currents via the L-type calcium channel (LTCC) were recorded in isolated ventricular cardiomyocytes using IonOptix and patch clamp techniques. Activity of calcineurin and Ca2+/Calmodulin-dependent Protein Kinase II delta (CaMKIIdelta) were measured in cardiac tissue from young wildtyp and knockout mice. To understand the influence of extracardiac effects, blood samples were scanned for concentrations of thyroid hormones and C-peptide. Deletion of KCNE2 resulted in a mortality rate of 50% at one year. In young kcne2-/--mice, the hypertrophic proteins calcineurin and CamKIIdelta were upregulated. Additionally, these animals exhibited higher currents via the LTCC and hyperinsulinemia. At 12 months, kcne2-/--mice showed a left ventricular dilation with reduced systolic function. Using echocardiography, we identified a progress from left ventricular hypertrophy to heart failure at 9-12 months in kcne2-/--mice. At one year, 30% of the kcne2-/--mice showed a moderately reduced ejection fraction, consistent with heart failure. Deletion of KCNE2 leads to calcium-induced hypertrophy and partially lethal heart failure. Potential causes of the hypertrophic response are an altered function of the LTCC and increased serum levels of insulin. Here, we have shown a direct link between deletion of a potassium channel ancillary subunit and subsequent development of heart failure.