Einfluss von Östrogen auf den Akt/mTOR- und Erk-Signalweg bei adaptiver Herzhypertrophie in vitro

Abstract

Neben den maladaptiven Formen der kardialen Hypertrophie gibt es auch eine adaptive Anpassung des Myokards zum Beispiel bei Sportlern oder während der Schwangerschaft, die mit einem reduzierten Risiko für Herz–Kreislauf–Erkrankungen einhergeht. Geschlechtsspezifische Unterschiede rücken dabei zunehmend in den Fokus des medizinischen Interesses und auch wenn zahlreiche kardioprotektive Effekte des weiblichen Geschlechtshormons beschrieben wurden, sind neben den klassischen genomischen Effekten von 17β–Östradiol die schnellen nicht–genomischen noch relativ schlecht verstanden, scheinen aber eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Myokardhypertrophie zu spielen. Aufgrund der klinischen Bedeutung ist es daher wichtig, die Dynamik beteiligter Signaltransduktionswege zu kennen. Dabei gewinnt vor allem die Wichtigkeit des sogenannten „crosstalks“ zwischen den klassischen Signalwegen an Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurde daher in kultivierten Kardiomyozyten der Einfluss von 17β–Östradiol auf den Akt/mTor– und Erk–Signalweg untersucht, zwei eng verflochtenen Signalkaskaden, die bekanntermaßen an der Herzmuskelhypertrophie beteiligt sind. Zusätzlich wurden adaptive (IGF–1) hypertrophe Bedingungen simuliert. In den Kurzzeitversuchen zeigte sich, dass 17β–Östradiol allein bereits Effekte auf die untersuchten Kinasen der beiden Signalkaskaden ausübte. Diese Effekte waren abhängig vom Vorhandensein der Östrogenrezeptoren ERα und ERβ. In der adaptiv–hypertrophen Langzeitstimulation führte 17β–Östradiol zu einer Zunahme der Zellgröße. Auf Signaltransduktionsebene konnte dabei eine verstärkte Erk–abhängige mTORC1–Aktivierung, gemessen an der p70S6K–Phosphorylierung, beobachtet werden bei unveränderter Gesamtexpression der untersuchten Proteine. Darüber hinaus resultierte die Langzeitinkubation der Zellen mit 17β–Östradiol in einer Zunahme nukleär lokalisierten Akts, die vergleichbar mit der durch IGF–1 war. Die Blockade der Östrogenrezeptoren hob den Effekt auf. Insgesamt sehen wir anhand unserer Ergebnisse eine kardiale Bedeutung des weiblichen Geschlechtshormons in der koaktivierenden Regulation des Akt/mTor–Signalweges, die unter Vermittlung von Erk die adaptiv–hypertrophen Effekte auf Kardiomyozyten verstärkt und dadurch maladaptiv–hypertrophen Prozessen potentiell entgegenwirkt. Die vorliegende Arbeit hat damit klinische Implikationen unter anderem für die Therapie von Frauen mit Antiöstrogenen auf Grund eines hormonrezeptorpositiven Mammakarzinoms und betont die Notwendigkeit der Weiterentwicklung zellspezifischer Therapien zur Reduktion negativer kardialer Begleiterscheinungen.

The heart responds to increased workload during pregnancy or in athletes with adaptive cardiac remodeling. This form of cardiac hypertrophy is characterized by a reduced risk for cardiovascular disease. In addition, pre–menopausal females display reduced cardiovascular morbidities implicating a specific role for female sex hormones in cardioprotection. Whereas numerous studies focus on the classical genomic effects of 17β–estradiol, the rapid non–genomic actions are still poorly understood yet seem to play an increasing role in the pathogenesis of myocardial hypertrophy. Understanding the dynamics of the involved signaling pathways and their "cross talks" is therefor of major clinical relevance. In the present work, we applied a cell culrure model of femal cardiomyocytes mimicking pre– and postmenopausal conditions by presence or absence of 17β–estradiol. Main focus was on the Akt/mTor– and Erk–signaling pathways, two closely interdependent signaling cascades that are known to be involved in cardiac hypertrophy. To simulate adaptive hypertrophic conditions IGF–1 was used. The short term tests showed that 17β–estradiol alone already activated time–dependently both signaling cascades. These effects were dependent on the presence of estrogen receptors ERα and ERβ. In the addaptive hypertrophic long term stimulation 17β–estradiol led to a rise in cell size accompanied with increased Erk-dependent mTORC1 activation, as determined by p70S6K phosphorylation. Overall expression levels of the investigated protein kinases did not change. Long term incubation of cells with 17β–estradiol resulted in an increase in nuclear localized Akt, which was comparable to that of IGF–1, indicating "pro-survival" actions of both, 17β–estradiol and IGF–1. Our data highlight a specific function of the female sex hormone 17β–estradiol in co–regulation of the Akt/mTor–signaling pathway with the adaptive stimulus IGF–1 and the specific role of Erk kinase to enhance the adaptive hypertrophic effects. These processes might contribute essentially to reduction of maladaptive hypertrophic remodeling in response to pathological stressors in female cardiomyocytes. The present work has clinical implications for example for the treatment of women with anti–estrogens due to a hormone receptor positive breast cancer and emphasizes the need to develop cell specific therapies to reduce negative cardiac side effects.