Effekte einer chronischen β-Adrenozeptor-Blockade auf die Aktivität der Calcium-Calmodulin-Kinase II in der Herzinsuffizienz

Effects of chronic beta-adrenergic receptor blockade on cardiac calcium/calmodulin-dependent kinase II activity in heart failure

by Matthias Dewenter
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-01-23
Date of issue:2018-01-22
Advisor:Prof. Dr. Ali El-Armouche
Referee:Prof. Dr. Ali El-Armouche
Referee:Dr. Karl Toischer
Referee:Prof. Dr. Martin Oppermann
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6692

 

 

Files in this item

Name:Matthias_Dewenter_Doktorarbeit.pdf
Size:2.61Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

Heart failure is one of the leading causes of mortality worldwide. Despite major advances in the understanding of heart failure pathophysiology and significant progress in the development of therapeutic concepts, the prevalence of this disease is increasing and the prognosis is still poor. Beta blockers are a mainstay in the therapy of heart failure. Long-term application of beta blockers in heart failure patients improves cardiac contractility and protects from cardiac remodeling. However, the fundamental mechanisms underlying the clinical benefit of beta blockers are controversial and incompletely understood. Ca2+-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) activity is increased in experimental and human heart failure and is suggested to be critically involved in disease pathophysiology. Cardiac overexpression of CaMKII induces severe dilative cardiomyopathy and contractile dysfunction and is associated with increased arrhythmia susceptibility. Several crosstalk mechanisms between beta-adrenergic signaling and CaMKII activation have been characterized, suggesting CaMKII as a possible downstream mediator of detrimental beta-adrenergic overactivity in heart failure. Yet, the question whether the beneficial effects of beta blockers might be attibuted to inhibitory effects on CaMKII remains elusive. The aim of this thesis was to investigate the effect of chronic beta blocker treatment on CaMKII activity in human and experimental heart failure. Analysis of myocardial tissue from terminal heart failure patients revealed that CaMKII expression and activity was not affected by chronic beta blocker therapy. The lack of CaMKII modulation by beta blockers was confirmed in a second group of patients undergoing cardiac surgery but without severe heart failure. To further evaluate these findings, oral metoprolol treatment was established in CaMKIIδC transgenic mice as a mouse model of CaMKII-induced heart failure. Effective beta-blockade was proved by assessing several clinical and biochemical parameters. Metoprolol treatment significantly reduced heart rate, lowered blood pressure and initially had negative inotropic effects. On a molecular level, mice treated with metoprolol showed reduced PKA-dependent phosphorylation of phospholamban and ryanodine receptor 2 in myocardial tissue. Beta blocker therapy had beneficial effects on survival, attenuated hypertophic growth and reduced the occurence of spontaneous arrhythmic events in the CaMKIIδC transgenic mice. However, despite the proposed crosstalk between beta-adrenergic signaling and CaMKII activation, metoprolol had no effect on CaMKII activity. Wildtype as well as CaMKIIδC transgenic mice showed no alterations in CaMKII expression, autophosphrylation or CaMKII substrate binding and phosphorylation upon long-term beta blocker treatment. These findings supported the results from the patient samples. The results of this study unexpectedly suggest that chronic beta blocker treatment does not affect CaMKII activity in the heart. Thus, the protective effects of beta blockers do not appear to be based on an inhibition of CaMKII. These data indicate that directly targeting CaMKII may improve heart failure therapy and complement the effects of beta blockers. 
Keywords: Heart failure; Beta blocker; Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II

German

Die Herzinsuffizienz ist eine der führenden Mortalitäts- und Morbiditätsursachen weltweit. Dabei ist die Prävalenz steigend und die Prognose trotz Fortschritten im Verständnis der Pathophysiologie dieser Erkrankung und Weiterentwicklung der Therapiekonzepte weiterhin schlecht. Betablocker sind eine der Hauptsäulen in der Therapie der chronischen Herzinsuffizienz. Sie verbessern langfristig die Herzleistung, wirken sich protektiv auf das kardiale remodeling aus und schützen vor Arrhythmien. Viele Mechanismen ihres klinischen Nutzens sind allerdings wenig charakterisiert.  Die Ca2+/Calmodulin-abhängige Kinase II wird in der experimentellen und menschlichen Herzinsuffizienz vermehrt exprimiert, induziert eine Störung der intrazellulären Ca2+-Homöostase und scheint damit eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie der Herzinsuffizienz zu spielen. Eine kardiale Überexpression der CaMKII ist mit der Entwicklung einer dilatativen Kardiomyopathie, einer kontraktilen Dysfunktion und einer erhöhten Anfälligkeit für Arrhythmien assoziiert. Es wurden verschiedene Mechanismen eines pathophysiologisch relevanten crosstalks zwischen β-adrenerger Stimulation und Aktivierung der CaMKII charakterisiert. Dabei gibt es zunehmende experimentelle Hinweise darauf, dass einige der schädigenden Effekte eines vermehrt aktiven Sympathikus durch die CaMKII vermittelt werden. Bisher ist jedoch unklar, inwieweit sich der protektive Effekt einer Betablockertherapie in der Herzinsuffizienz durch einen hemmenden Einfluss auf die CaMKII erklären lässt. Ziel dieser Arbeit war es, den Effekt einer Betablockertherapie auf die Aktivität der CaMKII zu untersuchen. Dazu wurde zunächst die CaMKII-Expression und Autophosphorylierung in myokardialem Gewebe von terminal herzinsuffizienten und primär nicht herzinsuffizienten Patienten mit und ohne Betablocker analysiert. In allen untersuchten Patientenkollektiven ließen sich dabei keine Unterschiede zwischen mit Betablockern behandelten Patienten und Patienten ohne Betablockertherapie feststellen. Anschließend wurde eine orale Therapie mit dem β1-selektiven Betablocker Metoprolol in CaMKIIδC-TG Mäusen, einem Modell der CaMKII-induzierten Herzinsuffizienz, etabliert. Eine effektive Blockade der β-adrenergen Signalkaskade zeigte sich zum einen in verschiedenen klinischen Parametern wie einer Reduktion der Herzfrequenz, des Blutdrucks und negativ inotropen Effekten bei Behandlungsbeginn. Zum anderen ließ sich auf molekularer Ebene bei den mit Metoprolol behandelten Tieren eine signifikante Reduktion der PKA-abhängigen Phosphorylierungen von PLB und RyR2 feststellen. Die Betablockertherapie führte in den CaMKIIδC-TG zu einem signifikant verbesserten Überleben, hatte protektive Effekte hinsichtlich der kardialen Hypertrophieentwicklung und verringerte das Auftreten spontaner ventrikulärer Arrhythmien. Allerdings ließ sich trotz der bisher beschriebenen crosstalk-Mechanismen zwischen β-adrenerger Stimulation und CaMKII-Aktivierung kein Einfluss der Metoprolol-Behandlung auf die Aktivität der CaMKII detektieren. Die mit Betablocker behandelten Tiere zeigten im Vergleich zu den nicht behandelten weder eine verringerte CaMKII-Autophosphorylierung noch -Aktivität im Pulldownassay. Daneben waren auch die CaMKII-abhängigen Phosphorylierungen an PLB und RyR2 unter Metoprolol-Therapie nicht signifikant verändert. Die unter Betablockertherapie unverändert erhaltene CaMKII-Aktivität im Mausmodell reflektiert damit die Befunde aus den menschlichen Herzproben von Patienten mit und ohne Betablocker. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen zusammenfassend darauf schließen, dass eine Betablockertherapie nicht wie zu erwarten zu einer Modulation der CaMKII-Aktivität führt. Die protektiven Effekte einer Betablockertherapie in der Herzinsuffizienz scheinen sich daher nicht partiell durch eine Inhibition der CaMKII erklären zu lassen. Dieser Befund unterstützt den potentiellen Nutzen einer direkten CaMKII-Inhibition als zusätzlicher therapeutischer Option in einer verbesserten medikamentösen Herzinsuffizienzbehandlung.
 
Statistik