Die Bedeutung der IGF-1 Signaltransduktion für die Funktion und Struktur des adulten Mäuseherzens

Abstract

Eine Vielzahl experimenteller und klinischer Untersuchungen lassen darauf schließen, dass IGF1 im Herzen eine wesentliche Rolle bei der Regulation von Wachstumsprozessen, der Kontraktionskraft und des Metabolismus spielt. Darüber hinaus scheint IGF1 alterungsabhängige Funktionseinschränkungen des Herzens zu modulieren. Um die Bedeutung der IGF1-Signaltransduktion im adulten Herzen zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig eine transgene Maus etabliert und verwendet, die eine zeitlich regulierbare und zelltypspezifische Deletion des IGF1-Rezeptors (iCMIGF1RKO) in Kardiomyozyten ermöglicht. Die Erfassung kardialer Funktionsparameter an Kontroll- und IGF1RKO Tieren mit Hilfe der Echokardiographie und der Konduktanzmanometrie zeigten, dass in jungen adulten Mäusen (3 Monaten) die induzierte IGF1 Rezeptordeletion zu keiner Veränderung der linksventrikulären Funktion führte. Dies konnte zum einen durch unveränderte Druckentwicklungen dP/dtmax und dP/dtmin, zum anderen durch systolische und diastolische linksventrikuläre Volumina, die sich von denen der Kontrollen nicht unterschieden, dargestellt werden. Darüber hinaus lieferten auch histologische und immunhistochemische Untersuchungen keine Unterschiede hinsichtlich der Geometrie von Ventrikeln und Kardiomyozyten im Sinne einer Atrophie oder Hypertrophie, das Myokard wies keine Zunahme an interstitiellen Bindegewebes auf und es konnte auch kein Hinweis auf eine gesteigerte Apoptose gefunden werden. Dies legt den Schluss nahe, dass die IGFRezeptorinaktivierung in Kardiomyozyten junger adulter Tiere im Untersuchungszeitraum von ca. 10 Wochen keine Auswirkungen auf das Herz hat. Aufgrund der bereits beschriebenen altersabhängigen Effekte von IGF1 wurde in einer weiteren experimentellen Serie untersucht, inwieweit nach Induktion einer IGF1R Deletion in Herzen gealterter Tiere (10 Monate) Struktur- und Funktionsveränderungen nachweisbar waren. Die erhobenen Druckparameter mittels intrakardialer Kathetermessung zeigten in der iCMIGF1RKO Gruppe eine signifikant verminderte endsystolische Druckentwicklung Pes sowie eine Verlangsamung der frühen diastolischen Entspannung, erkennbar an einer gegenüber den Kontrolltieren um ca. 24% erniedrigten Druckabfallgeschwindigkeit dP/dtmin. Im Gegensatz zu den jungen Tieren zeigte sich also, dass es in einem Untersuchungszeitraum von ca. 8,5 Wochen bereits zu einer Verschlechterung der Herzfunktion bei IGF1-Rezeptorinaktivierung in den gealterten Tieren gekommen ist. Detaillierte histologische und immunhistochemische Untersuchungen zeigten jedoch, dass die beobachtete Funktionseinschränkung nicht mit strukturellen Veränderungen einherging. Sowohl der Kardiomyozytendurchmesser als auch der Herzgewichtsindex gaben keinen Hinweis auf eine Atrophie der Kardiomyozyten. Auch ließ sich kein gesteigerter Zelluntergang nachweisen, da sowohl Färbungen mittels Antikörpern gegen aktivierte Caspase3 bzw. Detektion von DNA-Strangbrüchen mittels TUNEL – Analyse keine Unterschiede zwischen Kontrollen und iCMIGF1RKO ergaben. Das Ausmaß interstitieller Fibrose war ebenfalls unverändert. Im Gegensatz zu den jungen Tieren scheint demnach eine IGF1R-Deletion die Entwicklung einer diastolischen Dysfunktion zu begünstigen, jedoch ohne Anzeichen begleitender struktureller und morphologischer Veränderungen des Herzens. Des Weiteren stellte sich die Frage, inwieweit IGF1 abhängige Prozesse die Entwicklung einer pathologischen Hypertrophie modulieren und ob es bei verminderter IGF1 abhängiger Signaltransduktion zu einer Begünstigung der pathologischen Hypertrophie kommt! Um diesen Fragen nachzugehen, wurde mittels chronischer Infusion über implantierte osmotische Minipumpen eine pathologische Hypertrophie in Kontrollen und in iCMIGF1RKO Mäusen ausgelöst. Die Analyse der Herzfunktion mittels hochauflösendem Magnetic Resonance Imaging (MRI) ergab, dass sowohl in den Kontrollen, als auch in den iCMIGF1RKO Mäusen eine ausgeprägte kardiale Hypertrophie zwei Wochen nach Isoproterenolstimulation zu beobachten war. Die Vermessung linksventrikulärer systolischer und diastolischer Volumina zeigte, dass neben der Hypertrophie als Zeichen der Progression zur Herzinsuffizienz auch eine linksventrikuläre Dilatation eingetreten war. Allerdings ergaben sich für Kontrollen und iCMIGF1RKO Mäuse gleiche Werte, so dass auch die Ejektionsfraktion in gleichem Maße eingeschränkt war. Die Deletion des IGF1R-Gens scheint demnach keinen Einfluss auf die Ausprägung des kardialen Phänotyps im Isoproterenol- Stressmodell zu haben. Damit lässt sich die Vermutung aufstellen, dass die IGF1Rabhängige Signaltransduktion in Kardiomyozyten mit der über diesen Weg normalerweise ausgelösten physiologischen Hypertrophie die Entwicklung einer pathologischen Hypertrophie im Sinne einer Kompensation nicht modulieren kann. Zusammenfassend lässt sich sowohl aus den funktionellen Analysen, als auch aus den morphologisch und strukturellen Ergebnissen der untersuchten Tiere dieser Arbeit festhalten, dass das in dieser Arbeit etablierte Tiermodell zur selektiven Inaktivierung des IGF1 Rezeptors in Kardiomyozyten des adulten Herzens bereits wichtige Einblicke in die Funktion des IGF1R in Kardiomyozyten gegeben hat. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass am jungen adulten Herzen die Funktion des IGF1 Rezeptors entbehrlich zu sein scheint, während am alternden Herzen eine IGF1R Defizienz die Entwicklung einer diastolischen Dysfunktion begünstigt. Außerdem wurde deutlich, dass die IGF1 Signaltransduktion in einem Modell der pathologischen Hypertrophie keine Kompensation der maladaptiven Hypertrophie und ventrikulären Dilatation ermöglicht. Damit legt diese Arbeit wesentliche Grundsteine für eine weiterführende Analyse der IGF1 Signaltransduktion.

From a great number of experimental and clinical investigations it can be concluded that IGF 1 plays an important part concerning the regulation of processes of growth, of myocardial contractility and of metabolism. Furthermore IGF1 seems to influence reductions of the function of the heart depending on age. In order to investigate the importance of the IGF1- signaling in the adult heart, in this paper for the first time a transgene mouse was established and used, which made a deletion of the IGF 1 receptor (iCMIGF1RKO) within the cardiomyocites possible, being able to be regulated according to time and being specific in cell type. The recordings of cardiac parameters concerning their function applied to control animals and iCMIGF1RKO animals with the help of echocardiography and catheter measurement showed that for young adult mice (three months old) the induced IGF1 receptor deletion did not cause any change of the left ventricular function of the heart. This fact could be shown on the one hand by consistent pressure developments dP/dtmax and dP/dtmin and on the other hand by systole and diastole left ventricular volumes, which did not differ from the ones of the control mice group. Additionally histological and immunehistochemical investigations did not deliver any differences concerning the geometry of the ventricle and the cardiomyocites on behalf of atrophy or a hypertrophy. The myocardium did not show any increase of the interstitial connective tissue. Also no indication of an increased apoptosis could be found. This enables you to conclude that the IGF-receptor inactivation in the cardiomyocites of young adult animals did not have any effect on the heart having undergone an investigation period of about ten weeks. Based on the effect of IGF1 having already been described and being dependent on age a further series of experiments was made trying to find out in how far changes in structure and function of the hearts of older animals (ten months old) could be proved after inducing an IGF1 receptor deletion. The pressure parameters carried out by intracardial catheter measurement showed a significantly decreased endsystole development of pressure. Pes as well as a slowing down of the early diastole relaxation, to be seen at the speed of loss of pressure (dP/dtmin) by 24% less in contrast to the animals of the control group. As a contrast to the young animals it was shown that within the time of investigation of about 8.5 weeks already a worsening of the functioning of the heart concerning the IGF1 receptor inactivation could be seen in the older animals. Histological and immunehistochemical investigations carried out in detail, showed that the reduction of the functioning of the heart did not come along with changes in structure. No indication of an atrophy of the cardiomyocites was given, neither within the cardiomyocyte diameter nor within the index of the weight of the heart. Additionally no increased apoptosis could be found, because there were no differences existing between mice of the control group and mice of iCMIGF1RKO, neither due to execute Caspase-3 immunhistology nor due to the detection of DNA –hanks by the help of TUNEL assay. The extent of interstitial fibrosis remained unchanged as well. In contrast to the young animals an IGF1R deletion seems to favour the development of a diastole dysfunction, however without any indications of accompanying structural and morphological changes of the heart. Furthermore the question must be asked, in how far processes which are dependent on IGF1 modify the development of a pathological hypertrophy and, if a signaling with a reduced IGF1 favours a pathological hypertrophy. In order to investigate into these questions more detailedly, a pathological hypertrophy was initiated in the mice of the control group and the mice of the iCMIGF1RKO group by a chronical infusion through implanted osmotical minipumps. The result of the analysis of the function of the heart made by high-dissolving “Magnetic Resonance Imaging (MRI)” was the following one: two weeks after the stimulation of Isoproterenol a distinctive cardiac hypertrophy could be observed in the control group of mice as well as in the iCMIGF1RKO group. The measurement of the left ventricular systole and diastole volumes showed that next to the hypertrophy as a sign of the progression towards heart insufficiency also a left ventricular dilatation had occurred. However there were the same results found for the control group as well as for the iCMIGF1RKO group, so that the ejection fraction was limited to the same extent. The deletion of the IGF1R gene does not seem to have any influence on the parameter values of the cardiac phenotype within the Isoprotenerol stress model. As a consequence you can assume that the signaling in cardiomyocites depending on IGF1R, with the, in this way normally induced, physiological hypertrophy cannot modify the development of a pathological hypertrophy in the sense of a compensation. Summarizingly you can state, derived as well from the functional analyses carried out as well as from the results on the morphological and the structural data of the examined animals that this animal model used for this paper has given an important insight into the function of the IGF1 receptor in the cardiomyocites for the selective inactivation of the IGF1 receptor in the cardiomyocites of the adult heart. Furthermore it could be shown that for the young adult heart the function of the IGF1 receptor seems to be dispensable. This, however, is not the case for the aging heart because the IGF1R deficiency favours the development of diastole dysfunction. In this paper it also became clear that the IGF1 signaling in a model of a pathological hypertrophy does not enable any compensation of the maladaptive hypertrophy and of the ventricular dilatation. Due to this fact this paper established an important foundation for a further analysis of the IGF1 signaling.