Charakterisierung der Herzfunktion bei diabetischer Kardiomyopathie und Myokardhypertrophie in einem SERCA2-transgenen Rattenmodell

Abstract

Störungen der zellulären Ca2+-Regulation in Kardiomyozyten sind von wesentlicher pathophysiologischer Bedeutung für systolische und diastolische Funktionsstörungen bei diabetischer Kardiomyopathie, sowie bei Herzmuskelhypertrophie und -Insuffizienz. Besonders bedeutungsvoll scheinen krankheitsbedingte Störungen des SERCA2a-katalysierten Transportes von Ca2+-Ionen in das SR zu sein. Es wurde deshalb untersucht, ob transgene Ratten mit moderater kardialer SERCA2a-Überexpression gegen diastolische Funktionsstörungen bei experimentell induzierter diabetischer Kardiomyopathie oder linksventrikulärer Drucküberlasthypertrophie geschützt sind. Eine diabetische Kardiomyopathie wurde bei ca. 300 g schweren TGR und WT durch eine intraperitoneale Injektion von Streptozotocin induziert. Bei den Kontrolltieren wurde nur die Trägersubstanz injiziert. Nach 6 Wochen zeigten die diabetischen Wildtyp Ratten signifikant erniedrigte SERCA2a- Proteinspiegel, eine erniedrigte Ca2+-Transportfunktion in das SR und eine damit assozierte verlangsamte diastolische Relaxation. Bei diabetischen TGR jedoch waren sowohl die SERCA2a-Proteinspiegel als auch die Ca2+-Aufnahmerate signifikant höher als bei nicht-transgenen diabetischen Tieren. Des weiteren wurde eine teilweise Wiederherstellung normaler linksventrikulärer Relaxationsparameter beobachtet. Die linksventrikuläre Drucküberlasthypertrophie wurde an anästhesierten, thorakotomierten, ca.100 g schweren männlichen TGR und WT-Kontrolltieren durch mikrochirurgische Einengung der Aorta ascendens mittels eines Hemoclips induziert. Bei scheinoperierten Ratten wurde der Hemoclip nicht gesetzt. Im Verlaufe der 6-wöchigen Versuchsdauer entwickelte sich bei TGR- und WT-AS eine massive linksventrikuläre Hypertrophie. Bei stärkster Einengung der Aorta mit einem 0,4er Hemoclip betrug die linksventrikuläre Massenzunahme bei TGR-AS +59 % (p<0,05 vs. TGR-Sh) und bei WT-AS +54 % (p<0,05 vs. WT-Sh). Bei WT-AS war das mit einem 3,2-fachen Anstieg des LVEDP assoziiert (p<0,05 vs. WT-Sh), während bei SERCA2a-überexprimierenden TGR-AS ein 1,2-facher Anstieg beobachtet wurde. Die normierte maximale LV Druckabfallrate -dP/dtmax/LVP war bei WT-AS um 23 % reduziert (p<0,05 vs. WT-Sh). Dieser diastolische Index unterschied sich bei TGR-AS nicht von den Werten der WT-Sh und TGR-Sh. Auf molekularer Ebene wurden unveränderte SERCA2 mRNA-Spiegel (normiert auf GADPH-mRNA) bei TGR-AS und WT- AS gefunden (-6 % vs. TGR-Sh und -10 % bei WT-Sh). Entsprechend unterschieden sich die in vitro gemessenen SERCA2a-katalysierten Ca2+-Transportaktivitäten zwischen TGR und WT mit 0.4er Aortenstenose nicht signifikant voneinander. Die Ergebnisse zeigen, dass ein primärer kardialer Phänotyp mit gesteigerter SERCA2-Expression und die damit verbundene verbesserte Ausstattung des SR mit Ca2+-ATPasen vor diastolischen Funktionsstörungen bei STZ-induzierter diabetischer Kardiomyopathie und Drucküberlasthypertrophie schützt. Die Befunde unterstützen die Hypothese, dass der Funktionszustand der intrazellulären Ca2+-Speicher- und -Freisetzungsorganelle SR eine wesentliche Komponente für die Entwicklung diastolischer Funktionsstörungen unter chronisch pathologischen Bedingungen ist.

Active Ca2+ transport into the sarcoplasmic reticulum (SR) that is catalyzed by the Ca2+-ATPase SERCA2a is the main determinant for lowering cytosolic Ca2+ during cardiac relaxation. In severe left ventricular (LV) pressure overload and diabetic cardiomyopathy, decreased expression of the SERCA2 gene is thought to contribute to the development of heart failure. To examine whether specific targeting SERCA2 gene expression in the myocardium can protect against development of heart failure in chronic pressure-overload and diabetic cardiomyopathy a comparative analysis of diastolic performance and SR Ca2+-transport was performed using transgenic rats (TGR) overexpressing SERCA2a under the control of a hCMV-enhancer/cß-actin promoter and wild-type (WT) animals with normal cardiac SERC2a expression. The results indicate that cardiac SERCA2a overexpression in a transgenic rat model attenuates hemodynamic and molecular signs of LV failure. In particular, diastolic dysfunction and impaired SR Ca2+ handling were improved in severe LV pressure overload hypertrophy and diabetic cardiomyopathy. The results supports the view of a primary importance of altered SR Ca2+ handling for the development of failure in chronic pressure overloaded or diabetic hearts.