Die Effekte von Änderungen der Nachlast auf künstliches Herzmuskelgewebe

Abstract

Die Herzinsuffizienz ist eine der drei häufigsten kardiovaskulären Todesursachen in Deutschland. Häufig liegen der Herzinsuffizienz krankhafte Umbauprozesse in Form einer pathologischen kardialen Hypertrophie zugrunde. Das entgegengesetzte, oft als Gegenspieler fungierende Extrem kardialer Plastizität stellt die physiologische Hypertrophie dar. Um kardiale Plastizität in Zukunft therapeutisch besser beeinflussen zu können, sind Modelle vonnöten, die ein besseres Verständnis beider Extreme ermöglichen. Nachlast ist ein hämodynamischer Stimulus, der im intakten Herzen sowohl physiologische als auch pathologische Hypertrophie induzieren kann. Dieser Stimulus lässt sich auf künstliches Herzmuskelgewebe (EHT) übertragen, indem die Steifigkeit des Materials modifiziert wird, welches das EHT beim Kontrahieren verformen muss. Die starke Erhöhung der Nachlast von hiPSC-CM-basierten EHTs auf über 10 mN/mm bewirkte die vermehrte Expression einiger fetaler (und mit pathologischer kardialer Hypertrophie assoziierter) Gene und eine deutliche Abnahme der Kontraktionskraft. Eine Zunahme der Kardiomyozyten-Größen war jedoch weder in histologischen Messungen noch in einer eigens etablierten und validierten durchflusszytometrischen Messmethode nachweisbar. Es ließen sich also einige Aspekte, keinesfalls aber ein Vollbild pathologischer kardialer Hypertrophie modellieren. Um die Entstehung physiologischer Hypertrophie zu provozieren, wurden drei verschiedene Nachlast-Stimuli erprobt: Auf neonatalen Ratten-Kardiomyozyten basierende EHTs wurden bei konstanter Nachlast zwischen 0,6 mN/mm und 2,1 mN/mm kultiviert. Eine Zunahme der Zellgröße war hier nicht nachweisbar, lediglich der Anteil extrazellulärer Matrix am EHT nahm tendenziell etwas ab. Ein Intervall-Nachlast-Programm, in dem die Nachlast in Zyklen zwischen 0,9 mN/mm und 6,8 mN/mm fluktuierte, bewirkte in Ratten-EHTs im Trend eine Zunahme der Kardiomyozyten-Größe und der relativen Kontraktionskraft. Eine inkrementelle Erhöhung der Nachlast von 0,9 mN/mm auf 6,8 mN/mm bewirkte in hiPSC-CM-basierten, nicht aber in Ratten-EHTs, eine Zunahme der Kardiomyozyten-Größe und der Expression fetaler Gene – hier war also eher eine pathologische Form kardialer Hypertrophie induziert worden. Es gelang dementsprechend für keine der beiden Formen kardialer Plastizität, ein vollwertiges, Nachlast-basiertes EHT-Modell zu etablieren. Die Ergebnisse der Versuche an hiPSC-CM-basierten EHTs lassen allerdings hoffen, dass diese in Zukunft durch weitere Modifikationen als Modell-„Organismus“ pathologischer kardialer Hypertrophie nutzbar werden.

Heart failure is one of the major cardiovascular causes of death in the Western world. In many cases, heart failure is at least partly caused by a type of adverse remodeling of the myocardium known as pathologic cardiac hypertrophy. At the other extreme of cardiac plasticity is physiologic cardiac hypertrophy, often dubbed the “Athlete’s Heart”, which is considered benign or even beneficial. To steer cardiac plasticity in a therapeutic manner, new models of either type of cardiac hypertrophy are needed to gain a better understanding of the underlying biological mechanisms. Afterload is a hemodynamic stimulus which may induce physiologic hypertrophy as well as pathologic hypertrophy in the human heart in a dose-dependent manner. Changes in afterload can be applied to Engineered Heart Tissue (EHT) by changing the stiffness of the silicone post that constitutes the resistance to the EHTs’ spontaneous beating. In hiPSC-CM-based EHTs, a strong afterload increase exceeding 10 mN/mm caused a pronounced loss of contractile force and an increased transcription of some genes associated with pathologic cardiac hypertrophy (“fetal genes”). However, this intervention did not induce any change in cardiomyocyte size as measured by microscopy and flow cytometry. Therefore, hiPSC-CM-based EHTs were not displaying all key features of pathologic cardiac hypertrophy investigated and are currently a rather incomplete model of said type of cardiac plasticity. Three different afterload regimens were employed to potentially induce physiologic hypertrophy in EHTs. Rat-CM-based EHTs cultivated at static afterloads ranging from 0.6 mN/mm to 2.11 mN/mm did not display any afterload-related changes in cardiomyocyte-size. The share of EHT-cross-sectional area occupied by extracellular matrix showed a non-significant decreasing trend with increasing afterload. Rat EHTs were also subjected to an interval afterload regimen, which imposed loads cycling between 0.6 mN/mm and 6.85 mN/mm on the EHTs. Compared to controls, these EHTs showed a non-significant trend towards higher cardiomyocyte cross-sectional area and higher normalized contractile force. A stepwise increase in afterload from 0.6 mN/mm to 6.85 mN/mm induced cardiomyocyte hypertrophy and re-expression of fetal genes in hiPSC-CM-based EHTs. Accordingly, the type of remodeling observed demonstrates a tendency to be pathological. An EHT-based model of cardiac plasticity could not be (fully) established neither for physiological nor for pathological cardiac hypertrophy. However, further modifications to the techniques and protocols used may render EHTs as a more powerful platform for modeling cardiac plasticity in the future.