10.17169/refubium-4887

Lung endothelial dysfunction in congestive heart failure

Abstract

Über die Freisetzung vasoreaktiver Mediatoren übernehmen pulmonale Endothelzellen eine essentielle Rolle in der Regulation der vaskulären Homöostase in der Lunge. Ein Ungleichgewicht in der endothelialen Produktion vasorelaxierender und vasokonstringierender Substanzen führt als sogenannte endotheliale Dysfunktion zur Tonuserhöhung im Lungenkreislauf und induziert vaskuläre Umbauprozesse, die chronisch zur Ausbildung einer pulmonalen Hypertonie führen. Während die Rolle der endothelialen Dysfunktion für das Krankheitsbild der pulmonal-arteriellen Hypertonie experimentell gut belegt ist, bestehen hingegen kaum Daten zu Ausmaß, Relevanz und zellulären Mechanismen einer möglichen endothelialen Dysfunktion bei pulmonaler Hypertonie infolge Linksherzerkrankung, einer Kategorie der pulmonalen Hypertonie, die die pulmonal-arterielle Hypertonie bzgl. Inzidenz um ca. den Faktor 1000 übertrifft. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, die endotheliale Dysfunktion der Lunge an einem präklinischen Modell der chronischen Herzinsuffizienz zu untersuchen. Die vorliegenden Untersuchungen wurden an Sprague-Dawley Ratten durchgeführt, bei denen durch ein suprakoronares Aortenbanding eine chronische Herzinsuffizienz induziert worden war. Mit Hilfe der in einer vorangestellten Studie etablierten Technik der sog. real-time Fluoreszenzmikroskopie zur direkten bildgebenden Quantifizierung der endothelialen NO- Produktion an der intakten Lunge sowie durch hämodynamische Messungen der Vasoreagibilität konnte das Vorliegen einer pulmonal-endothelialen Dysfunktion bei Ratten mit CHF nachgewiesen werden. Diese Dysfunktion war weder ursächlich auf eine verminderte Expression der endothelialen NO-Synthase, noch auf einen Substratmangel des Enzyms zurückzuführen. Hingegen konnten wir mittels Fura-2-Imagings der intrazellulären endothelialen Ca2+-Konzentration in intakten Lungen eine fundamentale Störung der endothelialen [Ca2+]i-Homöostase und des [Ca2+]i-Signalings nachweisen, das durch ein völliges Fehlen physiologischer endothelialer [Ca2+]i-Oszillationen sowie fehlende oder abgeschwächte [Ca2+]i-Antworten auf mechanische oder pharmakologische Stimuli gekennzeichnet war. Die Rekonstitution eines endothelialen [Ca2+]i-Signals durch Zugabe des Ca2+-Ionophors A-23187 vermochte hingegen wieder die endotheliale NO- Produktion bei Tieren mit CHF zu stimulieren. Insofern kommt der Störung der endothelialen [Ca2+]i-Homöostase eine Schlüsselrolle bei der endothelialen Dysfunktion der Lunge bei CHF zu. Systematische Expressionsstudien an frisch aus den CHF-Lungen isolierten Endothelzellen zeigten aber, dass diese Störung des endothelialen [Ca2+]i-Signalings nicht primär auf eine verminderte Expression endothelialer Ca2+-Kanäle zurückzuführen war. Stattdessen ergab die Untersuchung des endothelialen Aktin-Zytokeletts mittels Phalloidin- Fluoreszenzfärbung und Western Blot-Analyse eine ca. um das 10-fache erhöhte endotheliale Aktin-Expression bei CHF-Tieren sowie eine zirkulär-/spiralförmige Anordnung der F-Aktin-Polymere. Die Spaltung von Aktinpolymeren durch Cytochalasin D führte zu einer Wiederherstellung der endothelialen [Ca2+]i-und NO-Antwort in Lungen von CHF-Tieren, wodurch erstmals eine zentrale Rolle des zytoskelettalen Remodelings im Rahmen der endothelialen Dysfunktion nachgewiesen werden konnte.Rationale: Congestive heart failure (CHF) frequently results in remodeling and increased tone of pulmonary resistance vessels. This adaptive response, which aggravates pulmonary hypertension and thus, promotes right ventricular failure, has been attributed to lung endothelial dysfunction. Objective: We applied real-time fluorescence imaging to identify endothelial dysfunction and underlying molecular mechanisms in an experimental model of CHF induced by supracoronary aortic banding in rats. Methods and Results: Endothelial dysfunction was evident in lungs of CHF rats as impaired endothelium-dependent vasodilation and lack of endothelial NO synthesis in response to mechanical stress, acetylcholine, or histamine. This effect was not attributable to downregulation of endothelial NO synthase. Imaging of the cytosolic Ca2+-concentration ([Ca2+]i) revealed a singular impairment of endothelial [Ca2+]i homeostasis and signaling characterized by a lack of [Ca2+]i oscillations and deficient or attenuated [Ca2+]i responses to mechanical stress, histamine, acetylcholine, or thapsigargin. Reconstitution of a [Ca2+]i signal by ionophore treatment restored endothelial NO production, but lack of endothelial responsiveness was not primarily attributable to downregulation of Ca2+ influx channels in CHF. Rather, we identified a massive remodeling of the endothelial cytoskeleton in the form of an increased expression F-actin formation which contributed critically to endothelial dysfunction in CHF because cytoskeletal disruption by cytochalasin D largely reconstituted endothelial [Ca2+]i signaling and NO production. Conclusions: Our findings characterize a unique scenario of endothelial dysfunction in CHF that is caused by a singular impairment of [Ca2+]i signaling, and identify cytoskeletal reorganization as a major regulator of endothelial signaling and function

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