Diastolische Herzinsuffizienz ist eine häufige Krankheit im fortgeschrittenen Alter, die mit Risikofaktoren wie Bluthochdruck, Diabetes und Fettleibigkeit einhergeht. Aufgrund des demografischen Wandels und veränderter Lebensweise in industrialisierten Ländern wird die Prävalenz von diastolischer Herzinsuffizienz zunehmen. Bis jetzt gibt es keine ursächliche effektive Behandlung.

In dieser Dissertation wurde die humane induzierte pluripotente Stammzell-Linie ChiPSC22 in Kardiomyozyten differenziert. Diese Zellen zeigten abnormale Calcium-Transienten, eine gestörte β-Adrenozeptor Signalkaskade, eine Induktion des fetalen Genprogrammes und eine konzentrische Hypertrophie. Diese Eigenschaften treten typischerweise bei Kardiomyozyten von Patienten mit diastolischer Herzinsuffizienz auf. Dieser Phänotyp war mit einer relativ hohen Expression von Adenylatzyklase 5 (AC5) und Adenylatzyklase 6 (AC6) assoziiert. Beide Proteine sind zentral am cAMP-abhängigen Signalweg beteiligt. Dieses transkriptionelle Muster ist charakteristisch für Kardiomyozyten von Mäusen, bei denen linksventrikuläre Hypertrophie durch Volumenüberlastung induziert wird, ein klassisches Modell für Herzinsuffizienz.

Um herauszufinden, ob AC5- und AC6-Aktivität ursächlich für den Phänotyp von Herzinsuffizienz-Kardiomyozyten ist, wurden AC5- und AC6 KO Zelllinien mithilfe der CRISPR/Cas9 Technologie aus ChiPSC22 generiert. Danach wurden Wildtyp- und KO Zelllinien gleichzeitig in Kardiomyozyten differenziert. Interessanter Weise glichen die KO Kardiomyozyten nicht dem Bild von Herzinsuffizienz-Kardiomyozyten.  Der Effekt war stärker bei AC6 KO Kardiomyozyten ausgeprägt. Das entsprach der höheren katalytischen Aktivität von AC6 in ChiPSC22 Kardiomyozyten. Wildtyp Kardiomyozyten, die mit dem nichtselektiven AC5/AC6 Inhibitor BAY 1232055 behandelt wurden, glichen ebenfalls nicht mehr dem Bild von Herzinsuffizienz- Kardiomyozyten.

Diese Befunde weisen darauf hin, dass AC5 und AC6 sowie der cAMP-abhängige Signalweg diastolische Herzinsuffizienz begünstigen. Eine Inhibition von AC5 und AC6 könnte eine neue therapeutische Option für diastolische Herzinsuffizienz, für die es keine effektive Behandlungsmöglichkeiten gibt, darstellen.

Heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) is a common disease within the elderly population, with hypertension, diabetes and obesity being frequently associated with HFpEF. Lifestyle- and demographic change in industrial nations is likely to increase the prevalence of HFpEF. To date, no causal treatment is available.  

In this thesis, cardiomyocytes derived from the human induced pluripotent stem cell line ChiPSC22 exhibited typical features that are known to drive the pathogenesis of HFpEF (aberrant β-adrenoceptor activity, abnormal calcium handling, induction of the fetal gene program, concentric hypertrophy). This phenotype was associated with a relatively high expression of adenylyl cyclase 5 (AC5) and adenylyl cyclase 6 (AC6), two main proteins of the cAMP-dependent pathway. This transcriptional pattern is characteristic of cardiomyocytes from old mice after pressure overload-induced left ventricular hypertrophy, a classical model of heart failure.

To prove if AC5- and AC6 activity is causative for the development of the HFpEF-like phenotype, AC5 KO- and AC6 KO cell lines were generated from ChiPSC22 using the CRISPR/Cas9 technology. Subsequently, wild-type and KO cell lines were differentiated into cardiomyocytes. Both KOs rescued the HFpEF-like phenotype at the cardiomyocyte level. The effect was more prominent in AC6 KO cardiomyocytes. This was in line with the higher catalytic activity of AC6 in ChiPSC22 derived cardiomyocytes. Moreover, the inhibition of cAMP levels by the non-selective AC5/AC6 inhibitor BAY 1232055 rescued the HFpEF-like phenotype of wild-type cardiomyocytes, confirming the results generated in both KO cell lines.  

Taken together, these findings identify AC5 and AC6 and the cAMP-dependent pathway as a new potential driving force in the pathology of HFpEF. Small molecule-inhibition of AC5 and AC6 might open new therapeutic approaches for a disease with a high unmet medical need.