Die Wirkung der bakteriellen Sepsis auf die elektromechanische Koppelung und die Hypertrophieentwicklung des Herzens

Abstract

Die Sepsis ist eine schwerwiegende und lebensbedrohende Komplikation der bakteriellen Infektion, die nach wie vor sehr häufig auftritt und mit einer hohen Mortalität einhergeht. Diese durch die Infektion hervorgerufene generalisierte Entzündungsreaktion des Körpers kann durch Störung der Makro- und Mikrozirkulation zu einer Minderperfusion der Organe und zu Multiorganversagen führen. An diesem Prozess ist auch eine kardiale Dysfunktion beteiligt. Die Erkennung verschiedener bakterieller Moleküle geschieht über Rezeptoren der angeborenen Immunabwehr, den Toll-like Rezeptoren (TLR). Dabei bindet Lipopolysaccharid (LPS), ein Zellwandbestandteil gram-negativer Bakterien, an den TLR4, der auch auf Herzmuskelzellen exprimiert wird. Dieser kardiale TLR4 kann LPS erkennen und zur verminderten Kontraktilität von Kardiomyozyten führen. Einige Zwischenschritte des Signalweges von LPS, vor allem die Mechanismen, die letztendlich die verminderte Kontraktilität verursachten, waren jedoch bisher unklar. Insbesondere die Rolle des intrazellulären Kalziums wird noch kontrovers diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der untersucht, ob LPS einen Einfluss auf die intrazelluläre Kalziumkonzentration ([Ca2+]i) von Kardiomyozyten hat oder ob es zu einer Desensitivierung der Myofilamente für Kalzium kommt. Dazu wurden simultan optisch die Sarkomerverkürzung und die [Ca2+]i isolierter Herzmuskelzellen von Wildtyp- und TLR4-defizienten Mäusen unter Einfluss von LPS bestimmt. Durch Zugabe eines Inhibitors der induzierbaren NO-Synthase wurde die mögliche Beteiligung von NO bei der Erkennung und Weiterleitung des LPS-Signals erforscht. Als denkbarer therapeutischer Ansatz wurde die Auswirkung des TLR4-Antagonisten E5564 auf die frequenzabhängige Sarkomerverkürzung LPS-stimulierter Zellen bestimmt. Weitere Versuche wurden durchgeführt, um die Auswirkungen der peritonealen, gram-negativen Sepsis auf Morphologie und Funktion des drucküberlasteten Herzens zu untersuchen. Da auch die gram-positive Sepsis immer mehr an klinischer Bedeutung gewinnt, wurde in einer Reihe von Experimenten die Wirkung von Zellwandbestandteilen gram-positiver Bakterien auf die frequenzabhängige Sarkomerverkürzung isolierter Kardiomyozyten untersucht. Die Stimulation mit den Zellwandbestandteilen sowohl gram-negativer als auch gram-positiver Bakterien führte in allen Experimenten mit isolierten Kardiomyozyten von Wildtyp-Mäusen zu einer verminderten Kontraktilität. Diese Ergebnisse wurden durch in vivo Messungen des arteriellen und linksventrikulären Blutdrucks bestätigt. Bei TLR4-defizienten Tieren und auch durch Zugabe des iNOS-Inhibitors SMT oder des TLR4-Antagonisten E5564 wurde die Wirkung des LPS auf die Sarkomerverkürzung der Herzmuskelzellen vermindert oder aufgehoben. Bezüglich der Messung der [Ca2+]i stellte sich heraus, dass es sowohl zu einer verminderten Kalziumtransiente als auch zu einer Kalzium-Desensitivierung der Myofilamente kommt, wobei letzterer wohl die Hauptwirkung in Bezug auf die verminderte Kontraktilität zuzuschreiben ist. Bezüglich der in vivo Versuche zeigt sich, dass eine Hyperresponsivität vorgeschädigter Herzen auf eine gram-negative Sepsis besteht, die sich auch morphologisch und funktionell äußert. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit konnten somit neue und tiefere Einblicke in die inflammatorische Wirkung sowohl gram-positiver als auch gram-negativer Bakterien auf die Herzfunktion gewonnen werden. Die Untersuchung des unter Umständen therapeutisch einsetzbaren E5564 zeigt einen direkten klinischen Nutzen der durch diese Arbeit erzielten Erkenntnisse. Sepsis still is a severe and life threatening complication of a bacterial infection associated with a high incidence and mortality. The infection evokes a generalized inflammation reaction, which leads to multi organ failure and death. Cardiac dysfunctions are also involved in this process. Responsible for the recognition of different bacterial molecules are receptors of the innate immune system, the Toll-like receptors (TLR). TLR4 binds lipopolysaccharides (LPS), cell wall components of gram-negative bacteria. This receptor also is expressed on cardiac myocytes. The cardiac TLR4 is able to recognize LPS and leads to reduced contractility of cardiac myocytes. Some of the steps in the signal pathway of LPS remain unclear, especially those which finally lead to the reduced contractility of cardiac myocytes. Particularly, the role of intracellular calcium is still under discussion. It was examined in this thesis, whether LPS shows an influence on intracellular calcium concentration ([Ca2+]i) of cardiac myocytes or whether it leads to a Ca2+-desensitization of the myofilaments. Therefore, simultaneous measurements on sarcomere shortening and [Ca2+]i of isolated LPS stimulated cardiac myocytes of wild type and TLR4-deficient mice were conducted optically. To investigate a possible participation of NO in recognition and transmission of the LPS-signal SMT, an inhibitor of the inducible NO-synthase was added to the culture medium. As a possible therapeutic approach the effect of E5564, a competitive TLR4 antagonist, was examined on the frequency-dependent sarcomere shortening of cardiac myocytes stimulated with LPS. Another series of experiments was conducted to evaluate the effect of a peritoneal, gram-negative sepsis on morphology and function of the pressure overloaded murine heart. Since the clinical impact of gram-positive sepsis is still increasing over the last years, in another series of experiments the effect of cell wall components from gram-positive bacteria was examined on the frequency-dependent sarcomere shortening of isolated cardiac myocytes.The stimulation of cardiac myocytes from wild type mice with cell wall components from either gram-positive or gram-negative bacteria lead in all experiments to a reduced contractility. In all experiments with isolated cardiac myocytes from wild type mice the stimulation with cell wall components of gram negative as well as gram positive bacteria lead to decreased contractility. These results were confirmed by in vivo measurements of arterial and left ventricular blood pressure. Adding of the iNOS-inhibitor SMT or the TLR4-antagonist E5564 reduces the effect of LPS on the contractility of cardiac myocytes from wild type mice. LPS did not show any effect in myocytes from TLR4 deficient mice. Regarding the measurements of [Ca2+]i it came apparent that under the influence of LPS it came to a reduced Ca2+ transient as well as to a Ca2+ desensitization of myofilaments, while the latter one seems to contribute the main part to the reduced contractility.The in vivo experiments show that mice with preharmed hearts react hyper responsive on gram-negative sepsis, morphologically and functionally.In summary, new and deeper insights in the inflammatory effects of gram-positive and gram-negative bacteria could be gained by this thesis. The examination of E5564, which possibly may be used as a therapeutic treatment, shows, that there is a direct clinical benefit of the results of this thesis.