The effect of rhAPC on contractile tension : an in-vitro sepsis model of cardiomyocytes and endothelial cells

Kurulgan Demirci, Eylem; Mey, Jörg

doi:32056

The effect of rhAPC on contractile tension : an in-vitro sepsis model of cardiomyocytes and endothelial cells = Der Effekt von rhAPC auf die zelluläre Kontraktionskraft : ein In-vitro-Sepsismodell für Kardiomyozyten und Endothelzellen

Kurulgan Demirci, Eylem (Author)

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eylem Kurulgan Demirci

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangVI Bl., 103 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Prüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mey, Jörg (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-05-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43623
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197446/files/4362.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Endothelzelle (Genormte SW) ; Herzmuskelzelle (Genormte SW) ; Protein C (Genormte SW) ; Rekombinantes Protein (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Endothelzellen (frei) ; Herzzellen (frei) ; Kardiomyozyten (frei) ; Kontraktionskraft (frei) ; rekombinant aktiviertes Protein C (frei) ; endothelial cell (frei) ; CellDrum (frei) ; contractile tension (frei) ; recombinant activated protein C (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Sepsis ist gewöhnlich die höchste Ursache für den Tod von intensivbehandelten Patienten, bedingt durch multiple Organ-Fehlfunktionen. Es ist schwer zu behandeln und hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Seit es bei Hypotonie, bedingt durch Endotheliale Barriere- Störung, multiple Organstörungen und verschlechterter Herzkontraktionen, beschrieben wurde, wurden hunderte von klinischen Versuchen auf Endothel-Zell-Fehlfunktionen und Herz-Depressionen fokussiert. Beides, Endothel-Dysfunktion und Herz-Depression, werden gesteuert durch mechanische Eigenschaften der Zellen, genauso wie die kontraktile Tension und involvieren zahlreiche Signalwege. Diese Reaktionen stören Endothel-Zellen, resultierend in Dysfunktionen, Aktivierung von Koagulation und Entzündungen. Endotheliale Dysfunktion verursacht mikrovaskulare Thrombose, die zu Kardialer Dysfunktion führt. Myokardiale Depression ist ein klares und weitgehend erkennbares Zeichen von Organischer Dysfunktion bei Sepsis. Wenn die Endothel-Zellen einmal aktiviert sind, wird ihre Oberflaeche prothrombotisch. Thrombomodulin- und EPCR-Expression werden heruntergeschraubt, resultierend in der Abnahme von der antikoagulanten und anti-entzündlichen Wirkung vom Protein-C-Pfad. rhAPC wurde bekannt als ein neuer therapeutischer Vertreter, um die Rettung von Patienten mit schwerer Sepsis zu verbessern. In-Vitro-Studien haben gezeigt, dass rhAPC anti-apoptotische, antikoagulante und anti-entzündliche Wirkungen hat, die zellulare Aenderungen verursachen, wie die Erhöhung der Barriere-Funktion und der Zyto-Protektion. Ausserdem haben jüngste experimentelle Studien gezeigt, dass APC systemische und Gewebe-Entzündungen einleitet und kardiovaskulare Funktionen waehrend experimenteller Endotoxemia praeserviert. Zudemhat eine Gruppe beschrieben, dass APC einen positiven, inotropischen Effekt bei Kardiomyozyten, die den EPCR- und PAR-1-Pfaden angehören, erzeugt. Obwohl der Mechanismus, der diesen Pfaden zugrunde liegt, noch nicht vollstaendig verstanden wird, könnte die unerwartete Depletion von Protein C waehrend der Sepsis uns helfen, um die Wichtigkeit von rhAPC zu verstehen. Die Administration von rhAPC reduziert die Mortalitaet bei Placebo-Patienten im PROWESS-Experiment. Wie vorher angezeigt, wurde in vielen Studien die Wirkung von Lipopolysacchariden (LPS) und rhAPC durch Signalwege erforscht. Unsere Studie profitiert von dieser früheren Forschung; wir testen beides, unser In Vitro Sepsis Modell und die Wirkung von rhAPC auf dieses Modell. Wie auch immer, wir haben die Wirkung von LPS und die heilende Wirkung von rhAPC bei Endothel-Zellen und das kardiomyozyte Auftreten beim In-Vitro-Modell zur Untersuchung ausgesucht. Das Ziel dieses Projektes war, kontraktile Tensions-Messungen als Marker zum mechanischen Verhalten der Zellen zu nutzen. Das mechanische Verhalten von Zellen ist stark verbunden mit Krankheiten oder Syndromen wie Sepsis. Die multiplen molekularen Mechanismen, denen Krankheiten unterliegen, offerieren viele Pfade, die vielleicht für diagnostische und therapeutische Zwecke dienen könnten, aber die auch sehr komplex sein können. Dieses könnte es schwierig werden lassen, um einen einzelnen Effekt zu fokussieren, waehrend mechanische Bestandteile direkte Informationen über Krankheiten und die Reaktion des Körpers zu Behandlungen geben können. Es ist genauso notwendig, direkt die kontraktile Tension zu messen, um zu verstehen, wie mechanische Tension eine Anzahl von zellzugehörigen Prozessen waehrend der Sepsis moduliert. Aus diesem Grund haben wir das CellDrum-System genutzt, um die Kontraktile Tension von Endothel-Zellen und Kardiomyozyten nach der LPS-Applikation und (der LPS-Applikation) folgender rhAPC-Behandlung zu messen. Die Zuverlaessigkeit vom CellDrum-System wurde durch unsere früheren Studien validiert. Unsere Ergebnisse stützen die früheren Studien, die zeigten, dass LPS Endothel-Zell-Kontraktion verursacht, dieses Endothel-Permeabilitaets-Erhöhungund kardiale Depression verursacht, dieses kardiogenetischen Schock verursacht. Ausserdem wurden neuere Daten gefunden, um zu demonstrieren, dass APC die Wirkung von LPC durch die mechanische Tension von Kardiomyozyten in vitro hemmt. Wir glauben, dass die mechanische Tension auf dem zeellularen Level ein wichtiger Parameter ist, um den ganzen Prozess und das Problem zu verstehen und könnte uns bei der Diagnose, Behandlung und der Prognose der Krankheiten helfen. Diese neuen Ergebnisse mit Endothel-Zellen und Kardiomyozyten lassen uns glauben, dass sie ein neues Licht in das mechanische Verhalten der Zellen waehrend der Septikaemie werfen, was wichtig ist bei der Verbesserung des Erfolgs bei der Therapie.

Sepsis is the most common cause of death among patients in intensive care, due to multiple organ dysfunction. It is difficult to treat, and its incidence has steadily increased over the years. Since it is characterized by hypotension due to endothelial barrier disruption, multiple organ dysfunction and impaired cardiac contractility, hundreds of clinical trials have focused on endothelial cell dysfunction and cardiac depression. Both endothelial dysfunction and cardiac depression are regulated by mechanical properties of the cells such as contractile tension, and also involve numerous signaling pathways. Sepsis is the systemic inflammatory response to infection caused by excessive stimulation of endotoxin. The immune system is rapidly activated, resulting in the release of cytokines such as TNF-alpha, IL-6 and IL-1Beta. These cytokines help to control the infection by promoting a number of pathways, including coagulation, oxidation, nitric oxide, reactive oxygen species production, and activation of tissue factors. These responses disrupt endothelial cells, resulting in dysfunction, activation of coagulation and inflammation. Endothelial dysfunction causes microvascular thrombosis, leading to cardiac dysfunction. Myocardial depression is a clear and widely recognized sign of organ dysfunction in sepsis. Once endothelial cells are activated, their surface becomes prothrombotic. Thrombomodulin expression and EPCR expression are down-regulated, resulting in a decrease in the anticoagulant and anti-inflammatory effects of the protein C pathway. rhAPC has emerged as a novel therapeutic agent, indicated to improve survival in patients with severe sepsis. In-vitro studies have shown that rhAPC has antiapoptotic, anticoagulant and anti-inflammatory effects which cause cellular changes such as the enhancement of barrier function and cytoprotection. Moreover, recent experimental studies have shown that APC induces systemic and tissue inflammation and preserves cardiovascular function during experimental endotoxemia. In addition, one group indicated that APC induces a positive inotropic effect on cardiomyocytes which is dependent upon EPCR and PAR-1 pathways. Although the mechanisms underlying these pathways are not fully understood, sudden depletion of protein C 8 during sepsis might help us to understand better the importance of rhAPC. The administration of rhAPC reduced mortality among treated versus placebo patients in the PROWESS trial. As previously indicated, many studies have investigated the effect of lipopolysaccharide (LPS) and rhAPC through signaling pathways. Our study benefits from this earlier research, which proves both our in-vitro sepsis model and the effect of rhAPC on this model. However, we have chosen specifically to investigate the effect of LPS and the beneficial effect of rhAPC on endothelial cells and the cardiomyocytes establishing an in-vitro sepsis model. The aim of this project was to use the contractile tension measurements as a marker of mechanical properties of cells. The mechanical properties of cells are strongly associated with diseases or syndromes like sepsis. The multiple molecular mechanisms underlying disease offer many pathways which may be used for diagnostic and therapeutic purposes, but which may also be very complex. This can make it difficult to focus on one particular effect, whereas mechanical properties can give direct information about diseases and the body’s response to treatments. It is also necessary to measure contractile tension directly in order to understand how mechanical tension modulates a number of cell-dependent processes during sepsis. For this reason, we have used the CellDrum® system to measure the contractile tension of endothelial cells and cardiomyocytes after LPS application, and after rhAPC treatment following LPS application. The reliability of the CellDrum® system was validated by our preview studies. Our results support those of the previous studies, which showed that LPS caused endothelial cell contraction that causes endothelial permeability increase and cardiac depression that causes cardiogenic shock. Moreover, novel data was found to demonstrate that APC inhibits the effect of LPS through the mechanical tension of cardiomyocytes in vitro. We believe that the mechanical tension at the cellular level is an important parameter to understand the full process and the problem and might help us in diagnosis, treatment and prognosis of the diseases. These new results with endothelial cells and cardiomyocytes are believed to shed new light on the mechanical properties of cells during septicemia, which is crucial for improving the success of therapy.

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