Isolierte menschliche Herzmuskelzellen

Ziel des Projektes ist die Untersuchung des ATP-abhängigen Kaliumstromes I K(ATP) in menschlichen Vorhof- und Ventrikelzellen. Aufgrund von speziesabhängigen Unterschieden in den elektrophysiologischen Eigenschaften der Herzmuskelzellen sind Untersuchungen an humanen Herzmuskelzellen von besonderem Interesse. Die Funktion des kardialen I K(ATP) unter physiologischen Bedingungen ist noch nicht geklärt. Im Gegensatz dazu ist sein bedeutender Beitrag zur Zunahme der Kaliumauswärtsleitfähigkeit sowie zur Aktionspotentialverkürzung nach metabolischer Inhibierung (wie im Falle von Ischämie und Hypoxie) aus Untersuchungen an tierischen Herzen gut dokumentiert. Die physiologische Bedeutung der Aktionspotentialverkürzung liegt in der Abnahme des Kalziumeinstrornes während der Plateauphase des Aktionspotentiales. In der Folge kommt es zu einer raschen Abnahme der Kontraktilität, die einem raschen ATP-Verlust entgegenwirkt. Zudem kann eine zum Zelltod führende intrazelluläre Ansammlung von Kalziumionen verhindert werden. Darüber hinaus scheint I K(ATP) eine bedeutende Rolle im Phänomen der "ischämischen Präkonditionierung" (d.h. kurze Ischämien schützen das Herz vor nachfolgenden lange andauernden Ischämien und Arrhythmien) zu spielen. Humane Herzmuskelzellen werden aus Herzgewebe, das man bei Operationen am offenen Herzen sowie bei Herztransplantationen erhält, enzymatisch isoliert. Elektrophysiologische Experimente werden mit Hilfe der "patch- clamp"-Technik (voltage clamp, current clamp), die die Ableitung von lonenströmen und Aktionspotentialen erlaubt, durchgeführt. Die Experimente erfolgen bei einer physiologischen Temperatur, um eine aussagekräftigere Beurteilung der Rolle von I K(ATP) im humanen Herzen treffen zu können. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in drei Teile: (i) Analyse der grundlegenden Eigenschaften von I K(ATP) (Effekte von Kanalöffnern, Blockern, sowie metabolischer Inhibierung), (ii) Beitrag von I K(ATP) zur Präkonditionierung (Effekte von Mediatoren der Präkonditionierung, auf den humanen I K(AtP) ; (iii) Nebenwirkungen von I K(ATP)-Blockern (z.B. Glibenclamid). Ein detaillierteres Wissen über die Eigenschaften von I K(ATP) in isolierten humanen Herzmuskelzellen, über dessen intrazelluläre Regulation sowie Modulation durch Inhibitoren und Agonisten, wird einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Rolle des I K(ATP) im humanen Herzen sowie seine Bedeutung bei der Entstehung und Behandlung von Arrhythmien liefern.

Das Ziel des Projekts P13111 MED war die Untersuchung des ATP-abhängigen Kaliumstrom I K(ATP) in menschlichen Vorhof- und Ventrikelzellen. Die Ergebnisse wurden in zwei Publikationen veröffentlicht (Schaffer et al., 1999 Brit. J. Pharmacol. 128: 1175 - 1180; Pelzmann et al., 2001 Naunyn-Schmiedeberg`s Arch Pharmacol. 363: 125-132), eine weitere Arbeit wurde zur Publikation eingereicht (Zorn-Pauly et al., 2002); weitere Ergebnisse wurden als Abstrakts veröffentlicht und in Vorträgen und Postern auf mehreren internationalen Kongressen präsentiert. Eine Publikation, die IK(ATP) in menschlichen Ventrikelmyozyten und solchen von Meerschweinchen vergleichend untersucht ist derzeit in Vorbereitung. Als wichtiges Resultat (Schaffer et al., 1999) konnte gezeigt werden, daß Glibenclamide (GLIB), welches häufig für die Behandlung des nicht-Insulin-abhängigen diabetes mellitus (NIDDM) verwendet wird in menschlichen Vorhofmyozyen nicht nur I K(ATP) blockiert, sondern auch den transienten Auswärtsstrom I to1 und den ultraschnellen "delayed rectifier" Strom I Kur . In menschlichen Ventrikelmyozyten wurde eine ähnliche Hemmung von I to1 beobachtet. Im Prinzip könnten diese Wirkungen für mit GLIB behandelte Patienten von Bedeutung sein. Die Hemmung von I to1 und I Kur wurde zwar erst bei Konzentrationen über dem therapeutischen Plasmaspiegel beobachtet, könnte jedoch unter bestimmten Bedingungen eine Rolle bei der iatrogenen Auslösung des long-QT- Syndroms spielen. In einer anderen Arbeit (Pelzmann et al., 2001) wurden die elektrophysio-logischen Charakteristika des ATP- abhängigen Kaliumstromes I K(ATP) und die Effekte der Kaliumkanalöffner Cromakalim and Pinacidil in menschlichen Vorhofzellen untersucht. I K(ATP) trug nicht zur basalen elektrischen Aktivität dieser Zellen bei, wurde aber durch Cromakalim and Pinacidil konzentrationsabhängig aktiviert und es konnte gezeigt werden, daß eine wiederholte Gabe von Pinacidil die Aktivierung von I K(ATP) potenziert.. Die Untersuchung von mit dem Zellstoffwechsel verknüpften Ionenströme wie I K(ATP) führten zur Frage nach möglichen Änderungen von Ionenströmen mit der Dauer der Zellkultur und des metabolischem Zustandes. Eine Untersuchung an Kalziumströmen in Meerschweinchenmyocyten zeigte, daß zwischen den Kulturtagen 0 und 5 I Ca,T signifikant kleiner wurde, während I Ca,L nicht verändert war. Diese Daten wurden in einer bereits zur Publikation eingereichten Arbeit zusammengefaßt (Zorn-Pauly et al., 2001). In seiner Doktorarbeit (2001) etablierte Klaus Zorn-Pauly bestehende mathematische Modelle der elektrischen Erregbarkeit von Herzmuskelzellen (u.a. Luo & Rudy, 1994) welche wichtige Informationen über die Beziehungen zwischen Ionenströmen und Herzerregung liefern.