Tim Jonas Bergmann

• For the past 20 years, chronic kidney disease (CKD) has remained one of the major causes of death worldwide. Cardiovascular events account for approximately 50% of deaths in CKD patients, underscoring the clinical relevance of the observed cardiac changes. These changes define uremic cardiomyopathy (UCM) and include left-ventricular hypertrophy (LVH), LV dilatation, and LV systolic and diastolic dysfunction. LVH is seen as the primary manifestation of UCM and is caused by a multitude of different systems including in-creased pre- and afterloadFor the past 20 years, chronic kidney disease (CKD) has remained one of the major causes of death worldwide. Cardiovascular events account for approximately 50% of deaths in CKD patients, underscoring the clinical relevance of the observed cardiac changes. These changes define uremic cardiomyopathy (UCM) and include left-ventricular hypertrophy (LVH), LV dilatation, and LV systolic and diastolic dysfunction. LVH is seen as the primary manifestation of UCM and is caused by a multitude of different systems including in-creased pre- and afterload and the renin-angiotensin system (RAS). More recent studies found that myocardial dysfunction is apparent before changes in the ventricular geome-try, like hypertrophy, occur to the uremic heart. This leads to the conclusion that LVH is not the cause of cardiac dysfunction, but one of the alterations caused by factors related to the uremic state itself. Among these factors that are independent of pressure and vol-ume overload, are cardiotonic steroids as well as the parathyroid hormone and the endo-thelin (ET-1) system. But we suggest a different substance to play an important role in UCM: Urea. Patients in end-stage renal disease (ESRD) display increased oxidative stress and urea has been found to increase levels of oxidative stress, at least in endothelial cells. Therefore, we investigated the effect that elevated urea levels, as seen in patients undergoing dialysis, have on cardiomyocytes. As the oxidative stress in a cell is regulated by mitochondrial processes, we suspected the mitochondrial orchestrator PGC-1α to play an important role. The uremic heart is in a state of elevated oxidative stress. This has been presented by multiple authors before. By conducting immunofluorescent staining for reactive oxygen species (ROS), we tried to replicate their findings and illustrate elevated levels of ROS. As the fluorescence analysis did not bear significant results, we approached oxidative stress from a different angle: Via mass spectrometry, we looked at the amino acids methionine, cysteine and betaine which are highly involved in sustaining the oxidative balance in the cell. Our findings in the media of urea-treated HL-1 cells lead us to the conclusion, that these cardiomyocytes were in a state of low antioxidative resources. Next, to find the intracellular mechanisms that connect uremia to oxidative stress and compromised energetics, we investigated possible downstream effectors of uremia. The urea-treated cardiomyocytes exhibited significant alterations regarding upstream effec-tors of PGC-1α: The protein kinases Akt and Erk were expressed and phosphorylated dif-ferently in a western blot analysis of uremic h9c2 cells and in mice with induced kidney failure. To combine these findings regarding the protein kinases Akt and Erk and oxidative stress, the Erk/p38 pathways seems conclusive (figure 20). This pathway links uremia and oxidative stress to intracellular effectors that have been found to influence the develop-ment of uremic cardiomyopathy. Another life-threatening alteration in uremic cardiomyopathy is a corrupted cardiac func-tion. The myocardium of uremic patients has shown to be more susceptible to ischemic damage and most patients receiving dialysis experience repeated episodes of intradialytic impairments in cardiac function. The urea-treated cardiomyocytes had a significantly higher oxygen consumption rate due to an inefficiently increased metabolism, most likely caused by an increased level of uncoupling. Taken together, the results of this study indicate that urea by itself plays a role in the de-velopment of uremic cardiomyopathy. So-called high-physiologic levels of urea have led to a mitochondrial inefficiency and an increase of oxidative stress in cardiomyocytes. The protein kinases Akt and Erk may work as effectors of urea to induce these changes via the Erk/p38 pathway. It seems very likely that the mitochondrial changes are mediated by the mitochondrial orchestrator PGC-1α. These observations might lead to further studies in-vestigating urea levels in dialysis patients. In the future, these might lead to a change of practice regarding tolerated urea levels in dialysis and help reduce the cardiac mortality of patients with chronic kidney disease.…
• Chronische Niereninsuffizienz ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Da etwa die Hälfte dieser Todesfälle auf kardiovaskuläre Ursachen zurückzuführen sind, ist ein genaues Verständnis der kardialen Veränderungen entscheidend. Zu diesen zählen links-ventrikuläre Hypertrophie, linksventrikuläre Dilatation sowie systolischer und diastoli-scher Funktionsverlust. Zusammen prägen diese Veränderungen den Begriff der Urämischen Kardiomyopathie (UCM). Verschiedene Systeme spielen bei UCM zusammen, wie beispielsweise eine erhöhte Vor- undChronische Niereninsuffizienz ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Da etwa die Hälfte dieser Todesfälle auf kardiovaskuläre Ursachen zurückzuführen sind, ist ein genaues Verständnis der kardialen Veränderungen entscheidend. Zu diesen zählen links-ventrikuläre Hypertrophie, linksventrikuläre Dilatation sowie systolischer und diastoli-scher Funktionsverlust. Zusammen prägen diese Veränderungen den Begriff der Urämischen Kardiomyopathie (UCM). Verschiedene Systeme spielen bei UCM zusammen, wie beispielsweise eine erhöhte Vor- und Nachlast und das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS). Sie führen zur primären Manifestation der UCM: Die linksventrikuläre Hypertrophie (LVH). Allerdings konnten aktuellere Studien zeigen, dass die Funktion des urämischen Myokards bereits abnimmt, noch bevor Veränderungen der Ventrikelstruktur, wie Hypertrophie, messbar sind. Demnach ist LVH nicht einzig die Ursache des kardialen Funktionsverlusts, sondern eine von vielen Veränderungen bei chronischer Niereninsuffi-zienz. Zu den Faktoren, die unabhängig von Blutdruck und Volumensteigerung sind und eine Rolle bei den oben geschilderten Veränderungen spielen, gehören kardiotonische Steroide, das Parathyroidhormon und das Endothelinsystem (ET-1-System). Wir sehen Grund zur Annahme, dass Urea (Harnstoff) ein weiterer dieser Faktoren ist, der zu Verän-derungen des Herzmuskels führt und die Entstehung von UCM begünstigt. Dialysepatien-ten haben ein erhöhtes Level an oxidativem Stress und es wurde gezeigt, dass Urea in Endothelzellen zu erhöhtem oxidativem Stress führt. Deshalb behandelten wir Kardiomyozyten mit sogenannten hochphysiologischen Urea-Konzentrationen und untersuchten diese anschließend. Dabei setzten wir einen Schwerpunkt auf mitochondriale Prozesse, die zu erhöhtem oxidativen Stress führen können. Unser Interesse galt dabei insbesonde-re dem Transkriptionsfaktor PGC-1α, der als Regulator der Mitochondrien und Dirigent des intrazellulären Metabolismus gilt. Um ebenfalls erhöhte Konzentrationen von oxidativem Stress nachzuweisen, experimen-tierten wir mit immunofluoreszenten Färbungen. Hierdurch konnten wir nur einen Trend ohne Signifikanz feststellen. Deshalb näherten wir uns dem Problem aus einer anderen Richtung: mittels Massenspektrometrie. Wir untersuchten die Aminosäuren Methionin, Cystein und Betain, die für die Regulation des oxidativen Gleichgewichts wichtig sind. Im Medium von mit Urea behandelten HL-1 Zellen konnten wir nachweisen, dass die untersuchten Kardiomyozyten signifikant geringere Konzentrationen an antioxidativ wirkenden Aminosäuren hatten. Als nächstes untersuchten wir die intrazellulären Mechanismen zwischen Urämie und oxidativem Stress. In den mit Urea behandelten h9c2 Zellen und im Mausmodell fand sich eine signifikante Konzentrationssteigerung der Proteinkinase B (PKB/Akt) und Proteinkinase Erk. Diese Enzyme beeinflussen auch den Transkriptionsfaktor PGC-1α. Zusammenfüh-ren lassen sich unsere bisherigen Ergebnisse mittels der Erk/p38 Signalskaskade (Abb. 20). Urämie führt darin über Oxidativem Stress zu einer Beeinflussung intrazellulärer Effektoren, die zur Entstehung von Urämischer Kardiomyopathie beitragen. Eine weitere lebensbedrohliche Komplikation von Urämischer Kardiomyopathie ist die Verringerung der Herzfunktion. Bei urämischen Patienten ist das Myokard anfälliger für ischämiebedingten Schaden und bei den meisten Dialysepatienten zeigen sich wiederholt Episoden, in denen die Herzfunktion geschwächt ist. In der Zellkultur konnten wir dazu passende Veränderungen nachweisen. Aufgrund eines ineffizienten Metabolismus verbrauchten die mit Urea behandelten Zellen signifikant mehr Sauerstoff. Ursache dafür ist wahrscheinlich ein vermehrtes Entkoppeln (Uncoupling) der Mitochondrien. Zusammengefasst zeigt diese Studie, dass Urea in der Entwicklung von Urämischer Kardiomyopathie eine wichtige Rolle spielt. Hoch-physiologische Konzentrationen von Urea im Blut führen über die Erk/p38 Signalkaskade und die Proteinkinasen PKB und Erk zu einer ineffizienten Funktion der Mitochondrien und erhöhen den intrazellulären oxidativen Stress. Wir halten es für wahrscheinlich, dass der Transkriptionsfaktor PGC-1α die dazu führenden mitochondrialen Veränderungen reguliert. Diese Erkenntnisse können weitere Studien anregen, die die tolerierte Konzentration von Urea bei Dialysepatienten untersu-chen. Zukünftig kann dies zu einer strengeren Einstellung der Urea-Werte bei Dialysepati-enten führen. Möglicherweise lässt sich dadurch die Mortalität der Patienten mit chroni-scher Niereninsuffizienz senken.…