Einfluss des α1(I)-Kollagens auf die Aktionspotentiale von frühen aus embryonalen Stammzellen differenzierten Kardiomyozyten

Abstract

Kollagen Typ I ist der Hauptbestandteil der Extrazellulärmatrix (ECM) im Herz. Knockout (KO) des α1(I)-Kollagens ist embryonal letal. Mittels in-vitro-Differenzierung von Kardiomyozyten aus murinen embryonalen Stammzellen (ESDC, embryonic stem cell derived cardiomyocytes) kann dennoch der Einfluss des α1(I)-Kollagen-KO auf die Entwicklung von Kardiomyozyten untersucht werden. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass im KO zu Beginn der Differenzierung ESDC-Cluster niedrigere spontane Kontraktionsfrequenzen zeigen, als im Wildtyp (WT). In der vorliegenden Arbeit wurde deswegen der Einfluss des α1(I)-Kollagen-KO auf die Aktionspotentiale (AP) und spontane Membrandepolarisation von frühen ESDC im Vergleich zum WT mittels Patch-Clamp untersucht. Hierfür wurde zunächst eine Technik etabliert, mit welcher diese Untersuchung auch ohne vorherigen Verdau des Kollagens möglich ist. Es zeigt sich im KO zu Beginn der Differenzierung eine höhere AP-Amplitude. Diese lässt sich durch ein im KO nur noch sehr seltenes Vorkommen früher Schrittmacher-APs erklären, vermutlich bedingt durch eine initial stark beschleunigte kardiomyozytäre Differenzierung im KO. Nicht erklärt werden hierdurch die im KO zunächst niedrigeren spontanen AP-Frequenzen der Zellen, so dass hier andere Mechanismen eine Rolle spielen müssen. Zwar gleichen sich wie erwartet diese Unterschiede zwischen KO und WT in den nächsten Tagen der ESDC-Differenzierung zunächst an. Überraschenderweise bilden sich jedoch im weiteren Verlauf neue Unterschiede zwischen KO und WT heraus: Der KO zeigt nun zunehmend höhere spontane AP-Frequenzen und schnellere spontane Membrandepolarisation sowie eine schnellere De- und Repolarisation der APs. Es konnte damit erstmalig ein direkter Einfluss von ECM-Bestandteilen auf die elektrophysiologische Differenzierung bzw. Eigenschaften von Kardiomyozyten gezeigt werden. Dieser Einfluss des Kollagens auf die Elektrophysiologie der Zellen könnte physiologisch in der lokalen Spezialisierung von Kardiomyozyten in der Organentwicklung eine Rolle spielen und im pathophysiologischen Kontext dazu dienen, die vermehrte Steifigkeit des Gewebes bei Fibrose in der Kontraktion auszugleichen.