Regulation von HIF-1

Die Regulation von HIF-1 erfolgt anhand seiner -Untereinheit in Abhängigkeit vom pO2 der Zelle. Unter normoxischen Bedingungen ist die -Untereinheit instabil und wird umgehend durch proteasomale Degradation beseitigt (WANG et al. 1995, HUANG et al. 1998, YU et al.

1998). Dieser Vorgang wird über die Prolyl-4-Hydroxylase-Domäne-Enzyme (PHD1-3) vermittelt. Nach Hydroxylierung der Prolinreste Pro-402 und Pro-564 kann HIF-1 an den Tumorsupressor von-Hippel-Lindau-Protein (pVHL) binden (MAXWELL et al. 1999). Dies ist ein Bestandteil des E3-Ubiquitin-Protein-Ligase-Komplexes, welcher HIF-1 poly-ubiquitiniert (COCKMAN et al. 2000, KAMURA et al. 2000, OOH et al. 2000), wodurch es für die Degradation im Proteasom zugänglich gemacht wird und somit unter normoxischen Bedingungen kaum detektierbar ist (MAXWELL et al. 1999). Zudem wird die HIF-1 Aktivität durch den sauerstoffabhängigen factor inhibiting HIF-1 (FIH-1) kontrolliert. Diese Asparaginylhydroxylase bewerkstelligt die Hydroxylierung des Asparaginrestes in der C-TAD von HIF-1 , wodurch der transkriptionelle Koaktivator p300 nicht mehr an HIF-1 gebunden werden kann (MAHON et al. 2001, HEWITSON et al. 2002, LANDO et al. 2002).

Unter hypoxischen Bedingungen hingegen kommt es zu einer Stabilisierung und Aktivierung von HIF-1 JEWELL et al. 2001). Hierbei wird die Hydroxylierung durch die PHD`s infolge des Mangels an molekularem Sauerstoff geblockt. Die HIF-1 -Untereinheiten akkumulieren und gelangen in den Zellkern, wo sie mit der HIF-1β-Untereinheit dimerisieren. Nach Rekrutierung der Koaktivatoren CBP/p300, kann HIF-1 in seiner komplexen Form an HREsbinden und die Transkription der Zielgene induzieren. Die Regulation von HIF-1 ist schematisch in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2: Regulation von HIF-1 unter Hypoxie und Normoxie, modifiziert nach WENGER, FASEB J. 2002 Unter hypoxischen Bedingungen erfolgt eine Stabilisierung und Aktivierung von HIF-1 . Es akkumuliert, gelangt in den Zellkern und heterodimerisiert mit der HIF-1β-Untereinheit. Durch Bindung der Koaktivatoren CBP (CREB bindendes Protein) und p300 wird die Expression verschiedener Gene ausgelöst, wie z. B.

Erythropoietin (EPO), der Vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF), der Glukosetransporter-1 (GLUT-1) und glykolytische Enzyme. Normoxische Bedingungen führen zur Hydroxylierung von HIF-1 mittels spezifischer PHD (Prolyl-4-Hydroxylase-Domäne-Enzyme). Dies ermöglicht die Bindung von HIF-1 das pVHL (von-Hippel-Lindau-Protein), ein Bestandteil des E3-Ubiquitin-Protein-Ligase-Komplexes, welcher HIF-1 poly-ubiquitiniert und es damit der Degradation im Proteasom zugänglich macht.

1.2.3 PHD - „Sauerstoffsensoren“

Die proteasomale Degradation der HIF-1 Untereinheit wird durch die verschiedenen Isoformen der Prolyl-4-Hydroxylase-Domäne-Enzyme (PHD) vorbereitet. Dies umfasst die Isoformen PHD1, PHD2 und PHD3, welche auch HIF-Prolyl-Hydroxylasen (HPH1-3) genannt werden (BRUICK et al. 2001, EPSTEIN et al. 2001). Sie gehören zur Enzymklasse der 2-Oxoglutarat-Dioxygenasen und benötigen als Substrat Fe²⁺, 2-Oxoglutarat sowie

Ascorbat (SCHOFIELD und RATCLIFFE 2004) und werden in den meisten Geweben des Organismus differentiell exprimiert. Es zeigen sich zum Beispiel explizit hohe PHD1-Level im Hoden, auffallend hohe PHD3-Level hingegen einzig im Herzen (LIEB et al. 2002, ROHRBACH et al. 2005, STIEHL et al. 2006). METZEN et al. beschreiben unterschiedliche Zellkompartimente für das Vorkommen der PHD. Während PHD1 vorwiegend im Kern zu finden ist, sind PHD2 und PHD3 überwiegend im Zytoplasma lokalisiert. Eine Schlüsselrolle unter den HIF-1 degradierenden PHD´s wird der PHD2 zugesprochen (BERRA et al. 2003).

Während systemische PHD2 Knockout-Mäuse in der Embryonalentwicklung sterben, sind jene des PHD1- und PHD3-Knockouts überlebensfähig (TAKEDA et al. 2006). PHD1 und PHD3 Knockout-Mäuse sind eher durch phänotypische Veränderungen auf organspezifischer Ebene charakterisiert. Mäuse mit PHD1-Knockout zeigen einen verminderten O2-Verbrauch im Skelettmuskel durch Umschaltung im Glucosemetabolismus von oxidativer auf anaerobe ATP-Gewinnung (ARAGONÉS et al. 2008). In PHD3 Knockout-Mäusen finden sich Anomalitäten in der sympathoadrenalen Entwicklung sowie ein reduzierter systemischer Blutdruck (BISHOP et al. 2008). Studien an induzierbaren PHD2-Knockout-Mäusen belegen Veränderungen in Bezug auf Angiogenese und Erythropoiese und geben Hinweise zur Ausprägung einer dilatativen Kardiomyopathie sowie vorzeitigem Tod der adulten Mäuse (TAKEDA et al. 2007 und 2008, MINAMISHIMA et al. 2008).

PHD1 und PHD2 hydroxylieren HIF-1 sowohl am Pro-402 als auch am Pro-564. PHD3 hingegen vermag einzig Pro-564 zu hydroxylieren. Ein weiterer Vertreter der Prolyl-4-Hydroxylase-Enzyme-Domäne mit letztlich ungeklärter physiologischer Bedeutsamkeit ist die PHD 4. OEHME et al. (2002) konnten in vitro eine Senkung der HIF-Aktivität nachweisen

einhergehend mit Hydroxylierung an den Prolinresten 402 und 561. Im Gegensatz zu den übrigen PHD ist die PHD4 dem endoplasmatischen Retikulum assoziiert.

Die Eignung der PHD als „Sauerstoffsensoren“ wird durch ihre Enzymkinetik deutlich. Der KM-Wert dieser Enzyme für O2 liegt nur geringfügig über jener O2-Konzentration der Luft auf Meereshöhe (HIRSILÄ et al. 2003). Somit wird bereits durch geringe Abweichungen in der Sauerstoff-Homöostase eine transkriptionelle HIF-1-Antwort auf das hypoxische Geschehen eingeleitet, da die PHD in ihrer enzymatischen Wirkung beeinträchtigt sind. Die im endoplasmatischen Retikulum lokalisierten und ebenfalls von HIRSILÄ et al. (2003) untersuchten Kollagen-Prolyl-4-Hydroxylasen weisen einen viel geringeren KM-Wert für O2

auf und sind demnach nicht als ideale „Sauerstoffsensoren“ anzusehen. Der bereits oben erwähnte FIH-1 zählt ebenso wie die PHD1-3 zur Gruppe der 2-Oxoglutarat-Dioxygenasen und benötigt Sauerstoff und Fe²⁺. Sein KM-Wert für O2 liegt jedoch unterhalb jenem KM-Wert der Prolyl-4-Hydroxylasen (KOIVUNEN et al. 2004). Somit resultiert eine Verminderung der O2-Konzentration zunächst in einer Absenkung der PHD-Aktivität und erst im Folgenden, bei weiterer Abnahme der O2-Verügbarkeit, kommt es zum Erliegen der FIH-1 Aktivität.

1.2.4 Zielgene von HIF-1

HIF-1 induziert mehr als einhundert Zielgene (WENGER et al. 2005). Ihnen gemein sind die Interaktionen im Sauerstoffhaushalt und Zellmetabolismus, sowie die Beteiligung an Apoptosevorgängen zur Adaptation an einen erniedrigten pO2. Zwei sollen an dieser Stelle beschrieben werden, um die zentrale Rolle von HIF-1 im hypoxischen Geschehen aufzuzeigen. HIF-1 wird unter Hypoxie in allen kernhaltigen Zellen exprimiert und bindet unter diesen Umständen in seiner komplexen Form an die HBS (HIF-1 binding sites) der HREs (hypoxia responsive element) seiner Zielgene.

HIF-1 wurde 1992 im Rahmen von EPO-Studien entdeckt. In diesen Studien am EPO-Gen wurde ein Transkriptionsfaktor-Komplex, der unter Hypoxie vermehrt an regulatorische Elemente der DNA bindet und die Transkription des EPO-Gens einleitete, identifiziert (WANG und SEMENZA 1992 und 1995). EPO ist ein Glykoprotein-Hormon, welches beim Erwachsenen nach Abfall des intrarenalen pO2 hauptsächlich in den peritubulären Fibroblasten der Niere (MAXWELL et al. 1993) und bei starker Anämie auch in den Hepatozyten sowie in den perisinusoidalen Ito-Zellen exprimiert wird (MAXWELL et al.

1994, ECKHARDT et al. 1996). Via Blutbahn gelangt es ins Knochenmark, bindet dort an seine Rezeptoren und stimuliert die Proliferation und Differenzierung von erythroiden Progenitorzellen (JELKMANN 2004). Dies führt letztlich zur Erhöhung der peripheren Erythrozytenzahl, was wiederum zur Steigerung der Sauerstofftransportkapazität führt und damit langfristig die Sauerstoffversorgung im Gewebe verbessert. Zudem konnte in Studien an kardialem und neuronalem Gewebe eine antiinflammatorische, antiapoptotische sowie antioxidative Wirkung von EPO nachgewiesen werden (CALVILLO et al. 2003, EHRENREICH et al. 2004). Der therapeutische Einsatz von rekombinantem EPO findet sich vor allem in der Versorgung von niereninsuffizienten Patienten, bei denen die Erythropoiese beeinträchtigt ist.

VEGF, als ein wichtiges Zielgen von HIF-1, spielt eine zentrale Rolle für die Angiogenese und Neovaskularisation. Der Wirkungskreis von VEGF erstreckt sich dabei eher auf lokale hypoxische Zustände, nicht auf systemische wie im Falle der EPO-Synthese. Angiogenese kommt in gesundem Gewebe jedoch nur während der Embryogenese vor bzw. beim Erwachsenen im Endometrium (FOLKMAN und SHING 1992, GARGETT und ROGERS 2001) und während der Wundheilung (FOLKMAN 1995, ROSEN 2002). Pathologisch

kommt der Angiogenese eine entscheidende Rolle bei der Tumorentstehung zu, da erst mit dem Anschluss an das Gefäßsystem der Transport für Nährstoffe in dem Tumorgewebe bewerkstelligt ist und auch die Möglichkeit zur Ausbreitung gegeben ist (FOLKMAN 1995).

Im Gegensatz zu EPO steigert VEGF nicht nur die Sauerstoffverfügbarkeit im Organismus, sondern gleichzeitig die Bereitstellung von Nährstoffen. FORSYTHE et al. (1996) konnten in hypoxischen Zellen eine gesteigerte VEGF-Expression in Abhängigkeit von HIF-1 nachweisen. Auf einen hypoxischen oder hypoglykämischen Stimulus hin wird, vermittelt über HIF-1, die VEGF-Expression gesteigert. VEGF agiert dabei über seine Rezeptoren VEGFR-1 und VEGFR-2 in den Endothelzellen (JAKEMAN et al. 1992). Darüber hinaus steigert VEGF die Gefäßpermeabilität, wodurch ihm eine wichtige Rolle im Zuge inflammatorischer Prozesse zukommt (LEUNG et al. 1989, DVORAK et al. 1995).

1.2.5 HIF-1 Knockout-Mäuse und die Bedeutung von HIF-1 während der Embryogenese

Zur Erhaltung der Sauerstoff-Homöostase im Organismus bedarf es eines komplexen Systems, welches die adäquate Sauerstoffverfügbarkeit stetig gewährleistet. HIF-1 gilt als Schlüsselregulator der adaptiven hypoxischen Genregulation sowohl aus physiologischer als auch aus pathophysiologischer Sicht (SEMENZA 2000).

Bereits während der Embryonalentwicklung ist HIF-1 essentiell. Homozygote HIF-1 Knockout-Mäuse sterben während der Embryonalentwicklung infolge vaskulärer Defekte (IYER et al. 1998, RYAN et al. 1998). Diese HIF-1 ^-/--Mäuse zeigen nach anfänglich normaler Vaskulogenese eine Regression selbiger ab dem Tag 9 der Embryonalentwicklung (IYER et al. 1998). Zudem weisen sie kardiovaskuläre Fehlbildungen sowie

Neuralrohrdefekte auf und sterben schließlich am Tag 11 der Embryonalentwicklung (IYER et al. 1998, KOTCH et al. 1999). HIF-1 ^+/+ Mäuse zeigen eine gesteigerte HIF-1 -Expression zwischen E8.5 und E9.5, zeitlich einhergehend mit den beginnenden Fehlentwicklungen in den HIF-1 ^-/- (IYER et al. 1998). Diese Darlegungen demonstrieren die essentielle Bedeutung von HIF-1 während der Embryogenese. HIF-1 ^+/--Mäuse sind lebensfähig, entwickeln sich normal und sind unter Ruhebedingungen nicht von ihren HIF-1 ^+/+ Wurfgeschwistern zu unterscheiden (YU et al. 1999). KRISHNAN et al. (2008) konnten in HIF-1 -kardiomyozyten-spezifischen Knockout-Mäusen eine embryonale Letalität nachweisen, die sich zwischen E11 und E12 zeigte und die Notwendigkeit von HIF-1 für die kardiale Entwicklung aufzeigt.

Neben den existentiellen Aufgaben von HIF-1 in der embryonalen Entwicklung erstreckt sich das Wirkungsfeld auf postnatale generelle physiologische und pathophysiologische Regulationen hinsichtlich der Adaption an hypoxische Zustände. So zeigen sich seine zytoprotektiven Effekte über die Regulation seiner Zielgene, indem es einerseits den Sauerstoffverbrauch senkt und andererseits die Sauerstoffzufuhr steigert (WENGER 2002).

HIF-1 stimuliert dabei sowohl die Erythropoiese zur Erhöhung der Sauerstofftransportkapazität im Blut als auch Angiogenese und Vaskularisierung, was sich hinsichtlich lokaler Sauerstoff- und Nährstoffversorgung positiv auswirkt, als auch einen Einfluss auf das Zellwachstum ausübt.

1.3 Der Herzmuskel

Der Herzmuskel befördert als „zentrale Pumpe“ unseres Körpers das Blut in alle Gewebe und Areale des Körpers. Dadurch ist im gesunden Organismus die ausreichende Versorgung aller

Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen sowie der Abtransport von Stoffwechselprodukten gewährleistet. Die quergestreifte Herzmuskulatur ist durch ein sogenanntes funktionelles Synzytium charakterisiert. Die einzelnen Kardiomyozyten stellen als Zellverband und im Hinblick auf die Kontraktion des gesamten Herzens eine funktionelle Einheit dar. Die Herzmuskelzellen verlaufen parallel und sind über die Disci intercalares an ihren Enden sowohl mechanisch (Desmosomen) als auch kommunikativ (Gap Junctions) verknüpft. Diese Strukturen dienen zum einen der elektrischen Erregungsleitung (Gap Junctions) und zum anderen der mechanischen Kraft-Übertragung (Desmosomen) von Zelle zu Zelle.

1.3.1 Aufbau und Struktur der Herzmuskelzelle

Die Herzmuskelzellen enthalten typischerweise einen Kern, seltener auch zwei Zellkerne und sind von einer sarkolemmalen Membran (Sarkolemm) umgeben. Das Sarkolemm trennt den Intrazellular- vom Extrazellularraum. Es ist eine Lipiddoppelschicht-Membran, in die verschiedene Proteine integriert sind, welche für die Zellkommunikation, explizit bei der elektromechanischen Kopplung, aber auch für Signaltransduktionswege und Elektrolytausgleiche, von Bedeutung sind. Dabei handelt es sich um Proteine, wie den L-Typ-Ca²⁺-Kanal (LTCC), den Natrium-Calcium-Austauscher (NCX), aber auch Na⁺/K⁺-Pumpen, auf die später im Rahmen der elektromechanischen Kopplung noch eingegangen wird. Das Sarkolemm bildet in die Zelle vordringende transversale Einstülpungen (T-Tubuli), welche nahe dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) der Zelle lokalisiert und diesem funktionell assoziiert sind. Das sarkoplasmatische Retikulum ist ein spezialisiertes endoplasmatisches Retikulum der Muskelzellen. Es wird aufgrund seiner Längsausrichtung in der Herzmuskelzelle, auch als Longitudinal (L-)Tubuli bezeichnet, endet blind und läuft in die sogenannten Terminalzisternen aus. Diese räumliche Assoziation der Terminalzisternen an

die T-Tubuli bezeichnet man auch gemäß ihrer funktionalen Einheit als Diadenstruktur (BERS 2001). Dem SR kommen als Hauptaufgaben die Speicherung und Freisetzung von Calciumionen (Ca²⁺) zu, welche eine zentrale Rolle im Verlauf der Kontraktion spielen. In der Membran des SR sind zwei funktionelle Proteine integriert: Der Ryanodin-Rezeptor (RyR), ein Ca²⁺-Ausschüttungskanal erhielt seine Bezeichnung basierend auf seiner hohen Affinität zu dem Alkaloid Ryanodin. RyR finden sich auch im Skelettmuskel und Gehirn. Man unterscheidet drei Isoformen. Die im Herzen am häufigsten vorkommende ist der RyR vom Typ 2 (RyR2). RyR1 ist vor allem im Skelettmuskel exprimiert, RyR3 ist nicht sonderlich gewebespezifisch, aber vermehrt im Gehirn zu finden. Die RyR2 sind vorrangig im Bereich der Terminalzisternen lokalisiert (FRANZINI-ARMSTRONG et al. 1999). Dort sind sie in Gruppen arrangiert, wo etwa 100 RyR 10 bis 25 L-Typ-Ca²⁺-Kanälen gegenüberstehen.

Durch diese funktionelle Einheit erhielten diese Gruppierungen die Bezeichnung „Couplon“

(MAIER UND BERS 2007). Das zweite membranständige Protein im SR ist eine Ca²⁺ -ATPase (SERCA-2a). Die SERCA-2a bewerkstelligt die diastolische Ca²⁺-Wiederaufnahme aus dem Zytosol in das SR, wodurch die Relaxation ermöglicht wird. Es gibt verschiedene Isoformen mit gewebespezifischer Expression. Im Herzmuskel wird ausschließlich die SERCA-2a exprimiert. Der SERCA-2a ist räumlich das Phospholamban (PLB) assoziiert, ihr reversibel phosphorylierbares Regulatorprotein. Weitere Strukturelemente der Herzmuskelzelle sind ihre kontraktilen Proteine, die Myofilamente, welche aufgrund ihre Anordnung bzw. Verteilung der Herzmuskulatur ihre Querstreifung verleihen. Die kleinste funktionale kontraktile Einheit der Herzmuskelzelle ist das Sarkomer. Die Sarkomere sind untereinander durch die sogenannten Z-Scheiben voneinander abzugrenzen. Sie messen in Ruhelänge etwa 2 µm und beinhalten die dicken und dünnen Myofilamente, welche während der Kontraktion ineinander gleiten und eine Sarkomerverkürzung hervorrufen. Die Länge der

Myofilamente selbst bleibt, unabhängig von Kontraktion oder Relaxation, stets unverändert, lediglich das Sarkomer verkürzt oder verlängert sich. Das sogenannte dicke Filament, welches die A-Bande ausmacht, besteht hauptsächlich aus Myosin sowie dem Protein C und Titin.

Myosin besteht aus vielen aneinander gelagerten Myosinmolekülen mit den Myosinköpfchen als interagierende Querverbindungen zum dünnen Filament. Das „Riesenmolekül“ Titin funktioniert dabei als elastische Feder. Es stellt die Verbindung zur Z-Scheibe dar, verbindet die Aktin- und Myosinfilamente und vermittelt somit einen strukturellen Zusammenhalt ohne ein Ineinandergleiten der Filamente zu behindern. Die Verankerung von Titin in der Z-Scheibe verhindert ein Zerfallen der Sarkomere in der Dehnungsphase, wodurch ihm stabilisierende Funktionen zugesprochen werden. Die Anordnung der Myofilamente ruft unterschiedliche Brechungsmodi im polarisierten Licht hervor, es entstehen Einfach- und Doppelbrechungseffekte. Gemäß ihrer Eigenschaft im polarisierten Licht werden sie als A (anisotropisch)- oder I (isotropisch)-Banden bezeichnet. Die I-Banden repräsentieren die dünnen Filamente und bestehen aus doppelsträngigen Aktinpolymeren, welche das Tropomyosin und den Troponin-Komplex enthalten. In der Z-Bande sind die dünnen Filamente mit verschiedenen Cytoskelett-Proteinen ( -Actinin, β-Actinin, Nebulett, Desmin) verbunden. Eine visuelle Darstellung der beschriebenen Strukturen zeigt Abb. 3.

Neben den genannten strukturellen Elementen darf ein Funktionsträger der kardialen Kontraktilität nicht unerwähnt bleiben - das Ca²⁺, welches eine Schlüsselrolle im Kontraktionsverlauf einnimmt. Diese zentrale Rolle der Ca²⁺-Ionen soll im folgenden Kapitel näher beschrieben und erläutert werden.

Abb. 3: Ultrastruktur einer kontrahierenden Herzmuskelzelle. KATZ (2006): Physiology of the heart.

1.3.2 Die Rolle von Ca²⁺ für die Herzmuskelkontraktion

Ca²⁺ spielt eine zentrale Rolle im Verlauf der Kontraktion und im Rahmen der elektromechanischen Kopplung (engl. excitation-contraction coupling – ECC). Diese dient der Umwandlung elektrischer Energie eines Aktionspotentials in mechanische Energie, welche vermittelt durch Ca²⁺ in einer Kontraktion der Herzmuskelzelle resultiert. Dazu im Folgenden nähere Erläuterungen.

Die Depolarisation des Sarkolemms führt zur Öffnung der spannungsabhängigen L-Typ Ca²⁺ -Kanäle. Hierbei strömt extrazelluläres Ca²⁺ in die Herzmuskelzelle, welches für die typische Plateauphase des myokardialen Aktionspotentials verantwortlich ist. Getriggert durch diesen Ca²⁺-Influx öffnet sich der RyR2 des SR und zusätzliches Ca²⁺ strömt aus dem terminalen SR

in das Zytosol (Ca²⁺ getriggerte Ca²⁺-Freisetzung) (BERS 2002). Die Ca²⁺-Ionen können nun mit den kontraktilen Elementen der Herzmuskelzelle interagieren und die Kontraktion herbeiführen. Dieser Ca²⁺-Anstieg induziert die Aktin-Myosin-Verbindung in den Myofibrillen und löst die Kontraktion des Herzmuskels aus. Ca²⁺ bindet dabei an die Ca²⁺ -Bindungsstelle des Troponin C. Dies resultiert in einer Konformationsänderung am Troponinmolekül und einer Lageänderung des Tropomyosins im Aktinfilament. Somit sind die Bindungsstellen für die Myosinköpfchen freigelegt und die Filamente können ineinander gleiten. Das Gleiten der Filamente ist durch die Querbrückenbildung des Myosinköpfchens und dem Aktin charkterisiert. Die Myosinköpfchen vollführen unter ATP-Verbrauch eine krafterzeugende Rotationsbewegung und durch wiederholte Querbrückenbildung verkürzt sich das Sarkomer. Dieser Querbrückenzyklus wiederholt sich bis zur Erschöpfung der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration. Nach Abdiffundieren der Ca²⁺-Ionenstellt sich wieder der inhibitorische Effekt des Troponin-Tropomyosin-Komplexes ein. Das Myosinköpchen löst sich unter ATP-Verbrauch vom Aktinstrang, die Zelle relaxiert. Das freigewordene Ca²⁺ muss nun aus dem Zytosol befördert werden. Dies erfolgt zu einem geringen Teil über den NCX.

Im Wesentlichen wird die Ca²⁺-Extrusion jedoch über die SERCA-2a moduliert. Diese verliert durch Phosphorylierung ihres Regulatorproteins PLB ihre inhibitorische Funktion aus der Kontraktionsphase und kann nun in der Relaxationsphase die Ca²⁺-Wiederaufnahme in das SR bewerkstelligen. Das wiederaufgenommene Ca²⁺ steht in der Folge für eine erneute Kontraktion zu Verfügung. Die geschilderten Abläufe sind in Abb. 4 veranschaulicht.

Abb. 4: Ca²⁺-Transport in ventrikulären Kardiomyozyten. Modifiziert nach BERS: Cardiac excitation-contraction coupling (2002)

Nach Depolarisation der Membran kommt es zum Ca²⁺-Einstrom (I_Ca), welcher die Ca²⁺ getriggerte Ca²⁺ -Freisetzung aus dem SR (rote Pfeile) über den RyR bewirkt. Ca²⁺ bindet an die Myofilamente und löst die Kontraktion des Kardiomyozyten aus. Während der Relaxation wird das vom Troponin C abdiffundierte Ca²⁺ im Wesentlichen über die SR-Ca²⁺-ATPase in das SR befördert, zusätzlich über den NCX aus der Zelle extrudiert und zu einem geringsten Teil in das Mitochondrium transportiert (grüne Pfeile). SR = sarkoplasmatisches Retikulum, RyR = Ryanodin-Rezeptor, NCX = Na⁺-Ca²⁺-Austauscher, ATP = Ca²⁺-ATPase des SR, PLB = Phospholamban. Im Kasten ist die Beziehung von Aktionspotential (AP, schwarz), intrazellulärer Ca²⁺ -Konzentration ([Ca]_i, blau) und Kontraktion veranschaulicht.

1.4 Die kardiale Anpassung an mechanische Last 1.4.1 Mechanische Last am Herzen

Grundsätzlich werden zwei Formen der mechanischen Last am Herzen unterschieden. Die sogenannte Vorlast führt durch eine gesteigerte diastolische Füllung zu einer erhöhten Volumenbelastung des rechten Ventrikels. Dies resultiert in einer verstärkten Vordehnung des Myokards, die Wandspannung steigt und reguliert über den Frank-Starling-Mechanismus, erfolgt eine Zunahme des Schlagvolumens.

Die Nachlast bezeichnet den Auswurfwiderstand gegen den das Herz anpumpen muss.

Hierbei steigt z. B. infolge einer Aortenstenose die Druckbelastung für den linken Ventrikel.

Während der Systole muss das Blut gegen einen erhöhten Widerstand in den Kreislauf gepumpt werden. Die hierfür zusätzlich erforderliche Kontraktionskraft geht vorerst zu Lasten des Schlagvolumens, wodurch das Restvolumen im Ventrikel ansteigt. Im weiteren Verlauf ergibt sich durch das erhöhte Residualvolumen, im Sinne einer Vorlast, eine Zunahme des enddiastolischen Füllungsdruckes, der wiederrum das Schlagvolumen anhebt, jedoch dem Herzen eine Leistung auf höherem Druckniveau abverlangt.

Anhaltende Volumen- bzw. Druckzunahmen des Herzen veranlassen jenes sich den geänderten Bedingungen anzupassen. In beiden Fällen der mechanischen Belastung kommt es daher als Antwort auf die chronische Mehrbelastung zu makroskopischen und mikroskopischen Umbauvorgängen der kardialen Strukturen (Remodeling).

1.4.2 Physiologische und pathologische Myokardhypertrophie

Die Myokardhypertrophie ist das Resultat einer Leistungssteigerung des Herzmuskels und durch eine Volumenzunahme der Kardiomyozyten charakterisiert. Die „physiologische“

Myokardhypertrophie unterscheidet sich von der „pathologischen“ durch eine adaptierte kardiale Gefäßdichte und somit einer optimalen Sauerstoffversorgung des Herzmuskels.

Dieser Zustand findet sich im physiologischem postnatalem Herzwachstum wieder, als auch beim sogenannten „Leistungs“- oder „Sportlerherz“, ausgelöst durch körperliches Training:

Das beanspruchte Herz wird mit einer Form der Hypertrophie reagieren, die in Anlehnung an die gesteigerte Belastung eine Vergrößerung der Kardiomyozyten forciert und im gleichen Zuge die Vaskularisierung adaptiert (physiologische Hypertrophie). Bei der pathologischen Myokardhypertrophie hingegen, wie sie im Rahmen einer anhaltenden gesteigerten

mechanischen Last auftritt, beispielsweise durch Aortenstenose oder Hypertonie hervorgerufen (Nachlast), bleibt die Anpassung der Gefäßdichte aus. Das Herz ist bestrebt die Versorgung des Organismus auf einem konstanten Niveau zu halten und bewerkstelligt die Mehrbelastung zunächst über eine gesteigerte Muskelmasse. Hierbei greift der Mechanismus des LAPLACE-Gesetzes, durch welches sich der transmurale Druck (p) in Abhängigkeit von Wandspannung (k), Wanddicke (d) und Radius (r) eines Hohlorgans beschreiben lässt.

LAPLACE-Gesetz:

𝑝 =

Formel 1

Es verdeutlicht den Zusammenhang von Wandspannung und Hypertrophie des Herzens als Antwort auf einen erhöhten transmuralen Druck: Steigt der Druck im Herzen (p) an, tut dies

Es verdeutlicht den Zusammenhang von Wandspannung und Hypertrophie des Herzens als Antwort auf einen erhöhten transmuralen Druck: Steigt der Druck im Herzen (p) an, tut dies