Vijayakumar Govindaraj

• The incidence of cardiovascular diseases including cardiac hypertrophy and failure in pre-menopausal women is lower compared to age-matched men but the risk of heart disease increases substantially after the onset of menopause. It has been postulated that female sex hormones play an important role in cardiovascular health in pre-menopausal women. In animal studies including spontaneously hypertensive (SHR) rats, the development of cardiac hypertrophy is attenuated by 17β-estradiol treatment. Cardiac energy metabolism is crucial for normalThe incidence of cardiovascular diseases including cardiac hypertrophy and failure in pre-menopausal women is lower compared to age-matched men but the risk of heart disease increases substantially after the onset of menopause. It has been postulated that female sex hormones play an important role in cardiovascular health in pre-menopausal women. In animal studies including spontaneously hypertensive (SHR) rats, the development of cardiac hypertrophy is attenuated by 17β-estradiol treatment. Cardiac energy metabolism is crucial for normal function of the heart. In cardiac hypertrophy and heart failure, the myocardium undergoes a metabolic shift from fatty acid as primary cardiac energy source to glucose, which re-introduces the fetal type of metabolism that representing the glucose as a major source of energy. Many studies have reported that the disruption of the balance between glucose and fatty acid metabolism plays an important role in cardiac pathologies including hypertrophy, heart failure, diabetes, dilative cardiomyopathy and myocardial infarction. Glucose enters cardiomyocytes via GLUT1 and GLUT4 glucose transporters and GLUT4 is the major glucose transporter which is insulin-dependent. Cardiac-selective GLUT4 deficiency leads to cardiac hypertrophy. This shows that the decrease in cardiac glucose uptake may play a direct role in the pathogenesis of cardiac hypertrophy. Estrogens modulate glucose homeostasis in the liver and the skeletal muscle. But it is not known whether estrogens affect also cardiac glucose uptake which could provide another mechanism to explain the prevention of cardiac hypertrophy by female sex hormones. In the present study, SHR Rats were ovariectomized (OVX), not ovariectomized (sham) or ovariectomized and treated with subcutaneous 17β-estradiol. After 6 weeks of treatment, body weight, the serum levels of estrogen, insulin, intra-peritoneal glucose tolerance test (IP-GTT), myocardial glucose uptake by FDG-PET (2-(18F)-fluoro-deoxyglucose (18FDG) and Positron Emission Tomography), cardiac glucose transporter expression and localization and cardiac hexokinase activity were analyzed. As results of this study, PET analysis of female SHR revealed decreased cardiac glucose uptake in OVX animals compared to intact that was normalized by estrogen supplementation. Interestingly, there was no change in global glucose tolerance among the treatment groups. Serum insulin levels and cardiac hexokinase activity were elevated by E2 substitution. The protein content of cardiac glucose transporters GLUT-4 and GLUT-1, and their translocation as determined by fractionation studies and immuno-staining did not show any significant change by ovariectomy and estrogen replacement. Also levels of insulin receptor substrate-1 (IRS-1) and its tyrosine phosphorylation, which is required for activation and translocation of GLUT4, was un-affected in all groups of SHR. Cardiac gene expression analysis in SHR heart showed that ei4Ebp1 and Frap1 genes which are involved in the mTOR signaling pathway, were differentially expressed upon estrogen treatment. These genes are known to be activated in presence of glucose in the heart. As a conclusion of this study, reduced myocardial FDG uptake in ovariectomized spontaneously hypertensive rat is normalized by 17β-estradiol treatment. Increased myocardial hexokinase appears as a potential mechanism to explain increased myocardial glucose uptake by 17β-estradiol. Increased cardiac glucose uptake in response to 17β-estradiol in ovariectomized SHR may provide a novel mechanism to explain the reduction of cardiac hypertrophy in E2 treated SHR. Therefore, 17β-estradiol improves cardiac glucose utilization in ovariectomized SHR which may give rise to possible mechanism for its protective effects against cardiac hypertrophy.…
• Erkrankungen des kardiovaskulären Systems, wie beispielsweise Herzhypertrophie oder Herzinsuffizienz treten bei Frauen vor der Menopause im Vergleich zu gleichaltrigen Männern seltener auf. Das Risiko für eine solche kardiovaskuläre Erkrankung steigt jedoch drastisch mit dem Beginn der Menopause an. Aus diesem Grund wird angenommen, dass weibliche Geschlechtshormone kardioprotektive Wirkungen besitzen. Tierstudien an spontan hypertensiven Ratten (SHR) haben belegt, dass eine Herzhypertrophie durch die Behandlung der Tiere mit 17β-EstradiolErkrankungen des kardiovaskulären Systems, wie beispielsweise Herzhypertrophie oder Herzinsuffizienz treten bei Frauen vor der Menopause im Vergleich zu gleichaltrigen Männern seltener auf. Das Risiko für eine solche kardiovaskuläre Erkrankung steigt jedoch drastisch mit dem Beginn der Menopause an. Aus diesem Grund wird angenommen, dass weibliche Geschlechtshormone kardioprotektive Wirkungen besitzen. Tierstudien an spontan hypertensiven Ratten (SHR) haben belegt, dass eine Herzhypertrophie durch die Behandlung der Tiere mit 17β-Estradiol abgemildert werden kann. Entscheidend für die Funktion des Myokards ist sein Energiemetabolimus, der sich im Verlauf einer Hypertrophie oder Herzinsuffizienz vom primären Fettsäurestoffwechsel auf Glucosemetabolismus umschaltet. Diese Situation entspricht der des fetalen Herzens. Viele Studien haben belegt, dass eine Störung der Balance zwischen Glucose- und Fettsäurestoffwechsel oftmals ein erstes Anzeichen für einen pathologischen Zustand des Herzens, wie z.B. Hypertrophie, Herzinsuffizienz, Diabetes, dilative Kardiomyopathie und Myokardinfarkt ist. Im gesunden Herzen gelangt Glucose über die zwei Glucosetransporter GLUT1 und GLUT4 in die Zellen des Myokards, wobei der insulinabhängige Glut4-Transporter der Hauptglucosetransporter ist. Eine GLUT4-Defizienz führt daher ebenfalls zu einer Herzhypertrophie was wiederum zeigt, dass eine verminderte Glucoseaufnahme im direkten Zusammenhang mit pathologischen Zuständen des Herzens steht. Bisherige Studien haben gezeigt, dass Östrogen an der Glucosehomöostase in Leber und Skelettmuskeln beteiligt ist. Jedoch ist wenig darüber bekannt, ob Östrogen ebenfalls in die kardiale Glucosehomöostase eingreift und inwiefern die kardioprotektive Wirkung des Östrogens in diesem Zusammenhang steht.In der vorliegenden Arbeit wurden weibliche SH-Ratten ovariektomiert (OVX), nicht ovariektomiert (sham) oder ovariektomiert und zusätzlich subkutan mit 17β-Estradiol behandelt. Nach einer Behandlungszeit von 6 Wochen wurden dann das Körpergewicht, die Serumspiegel von Östrogen, Insulin und IPGTT bestimmt, und die Glucoseaufnahme des Myokards mittels FDG-PET analysiert. Zusätzlich wurden Expression und zelluläre Lokalisation der kardialen Glucosetransporter sowie die kardiale Hexokinaseaktivität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich eine verminderte Glucoseaufnahme des Herzens bei ovariektomierten Tieren durch Östrogen-Supplementation normalisieren lässt. Eine Abweichung bezüglich der Glucosetoleranz der einzelnen Gruppen konnte nicht beobachtet werden. Jedoch konnte ein erhöhter Insulinspiegel des Serums und eine erhöhte kardiale Aktivität des Enzyms Hexokinase durch die Behandlung mit Östrogen bei den ovariektomierten Tieren beschrieben werden. Durch Fraktionierungen und immunhistologische Untersuchungen konnte kein signifikanter Unterschied in Bezug auf die Menge sowie die Translokation der Glucosetransporter GLUT1 und GLUT4 im Myokard zwischen den einzelnen Behandlungen der Tiere beschrieben werden. Ferner konnte zwischen den einzelnen Tiergruppen auch kein Unterschied zwischen dem Insulin Rezeptor Substrat-1 (IRS-1) und seiner Tyrosin-phosphorylierten Form festgestellt werden, die für die Aktivierung und Translokation des GLUT4 benötigt werden. Analysen der Genexpression in den Herzen der SH-Ratten konnten allerdings zeigen, dass die Gene ei4Ebp1 und Frap1, die im mTOR Signalweg involviert sind, bei den Östrogen-supplementierten Tieren ein abweichendes Expressionsmuster aufweisen. Über diese Gene ist bekannt, dass sie in der Gegenwart von Glucose im Herzen aktiviert werden und bei der Entstehung einer Herzhypertrophie mitwirken. Basierend auf den PET-Analysen und der Hexokinaseaktivität lässt sich als Resultat dieser Arbeit aussagen, dass Östrogen die kardiale Glucoseaufnahme in SH-Ratten fördert. Diese Ergebnisse könnten einen Hinweis auf einen noch unbekannten Mechanismus geben, um die protektive Wirkung des Östrogens im Hinblick auf die Herzhypertrophie zu erklären. Hinsichtlich der Tatsache, dass keine Veränderungen in der Translokation der GLUT4-Transporter in der Plasmamembran bei den einzelnen Behandlungen der Tiere zu verzeichnen sind, jedoch Veränderungen der Glucoseaufnahme durch die PET-Analysen dargestellt werden konnten, besteht jedoch noch Erklärungsbedarf. Es liegen diverse Studien vor, die diesen Unterschied damit erklären könnten, dass der GLUT4-Transporter in einer inaktiven Form in der Plasmamembran vorliegt bis die Glucoseaufnahme durch den GLUT4-Transporter mittels der Insulin Signaltransduktionskaskade reguliert wird.…