Einfluss von Östrogen und Östrogen-Rezeptoren auf die kardiale Mitochondrienfunktion

Abstract

In verschiedenen Studien zur Myokardhypertrophie (MH) wurden Geschlechterunterschiede im kardialen Energiemetabolismus nach chronischer Druckbelastung nachgewiesen. Genexpressionsanalysen konnten dabei zeigen, dass die Expression mitochondrialer Gene in den Herzen männlicher Wildtypmäuse stärker reduziert war als bei weiblichen Tieren. Die Geschlechterunterschiede bei der Entwicklung einer MH könnten durch Unterschiede in der kardialen mitochondrialen Funktion männlicher und weiblicher Organismen erklärt werden und auf den Einfluss von E2 zurückzuführen sein. Daher war es Ziel der vorliegenden Arbeit Geschlechterunterschiede in der kardialen oxidative Phosphorylierung (OxPhos) und den Einfluss von17β-Östradiol (E2) auf die mitochondriale Respiration zu untersuchen. Dazu wurde die Studie in zwei Teilbereiche eingeteilt. In der Ex-vivo-Studie wurde die basale Respiration und der Einfluss von E2 auf die mitochondriale Respiration in isolierten Herzmuskelfaserpräparaten (skinned fibers) untersucht. In der In- vivo- Versuchsreihe wurden die lebenden männlichen und weiblichen Tiere mit E2 und den Östrogenrezeptoragonisten (ER-Agonisten) behandelt. Zur funktionellen Untersuchung der OxPhos wurden respirometrische Messungen mit kardialen skinned fibers in einem Oxygraphen durchgeführt. Der Sauerstoffverbrauch nach maximaler ADP-Stimulierung und Depletion (State-3- und State-4-Atmung) wurde mit der Clark- Elektrode erfasst und daraus der respiratorische Kontrollindex (RCI) berechnet. In der Ex-vivo-Studie hatte die 2h E2-Behandlung keinen Effekt auf die mitochondriale Respiration. Jedoch führte die E2-Langzeitbehandlung der kardialen skinned fibers für 24h und 48h zu einer signifikant gesteigerten State-3- Atmung in beiden Geschlechtern. Auch in der In-vivo-Versuchsreihe zeigte sich der E2-Effekt auf die mitochondriale Respiration. Nach 5 und 24h E2-Behandlung war der Sauerstoffverbrauch in den E2 behandelten Tieren höher im Vergleich zu den Kontrollen. Die geschlechtsspezifischen Unterschiede in den Respirationsraten zu den beiden Versuchszeitpunkten können mit dem endogenen E2-Spiegel der weiblichen Tiere erklärt werden. Die In-vivo-Behandlung mit dem ERβ-Agonisten für 5 und 24h konnte den E2-Effekt reproduzieren, wohingegen der ERα-Agonist keine vergleichbaren Effekte zeigte. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass E2 die Kapazität der OxPhos in kardialen Mitochondrien erhöht. Die Ergebnisse beider Teilbereiche der Studie lassen auf einen E2-Langzeiteffekt schließen, der über genomische Signalwege vermittelt wird. Der ERβ-Agonist konnte in beiden Geschlechtern die State-3-Atmung signifikant erhöhen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass der ERβ eine entscheidene Rolle in der Regulation und Vermittlung der E2-Effekte auf die kardiale OxPhos hat.

In several studies of myocardial hypertrophy, sex differences in cardiac energy metabolism after chronic pressure overload have been shown. Expressions of mitochondrial genes in the hearts of female wild-type mice were less downregulated than in male mice. Sex differences in the development of myocardial hypertrophy were explained by differences in the cardiac mitochondrial function of the male and female organism and could be referred to the influence of 17β-oestradiol (E2). Therefore, this study aims to investigate sex differences in cardiac oxidative phosphorylation and the influence of E2 on mitochondrial respiration. The study was divided into two parts. First, the basal respiration and the influence of E2 on mitochondrial respiration in isolated skinned fibers were investigated ex vivo. Secondly, an in vivo-study was performed where male and female mice were treated with E2 and oestrogen receptor agonists (ER-agonists) for 5 and 24 hours. Functional assessment of oxidative phosphorylation in cardiac skinned fibers was performed by respiratory measurements in an oxygraph. Oxygen consumption after maximal ADP stimulation and depletion (State-3- and State-4-respiration) was recorded by the Clark electrode and the respiration control index (RCI) was calculated. In the ex vivo-study, E2 treatment for 2 hours had no effect on mitochondrial respiration, but a longer duration of treatment for 24 and 48 hours of the cardiac skinned fibers led to a significant increase in State-3-respiration in both sexes. The in vivo-study similarly showed an effect of E2 on mitochondrial respiration. After 5 and 24 hours of treatment with E2, oxygen consumption reached higher levels in the E2-treated animals compared to the controls. The sex-specific differences in respiration rates at the two different time points could be explained by the endogenous E2 of the female mice. In vivo treatment with ERβ-agonist for 5 and 24 hours reproduced the estrogenic effects, but the ERα-agonist showed no comparable effects. The present study shows for the first time that E2 enhances the capacity of oxidative phosphorylation in cardiac mitochondria. Both parts of the study suggest a long-term effect of E2 that is mediated by genomic pathways. The ERβ-agonist significantly increased State-3-respiration in both sexes. In conclusion the ERβ plays an important role in regulating and mediating estrogenic effects during cardiac oxidative phosphorylation.