Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: doi:10.22028/D291-27740
Titel: Die Rolle eines zellulären Eisendefizits für den Energiehaushalt, die Funktion der Atmungskette, des Citratzyklus und die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS)
Verfasser: Hanschitz, Kira Béatrice Marie
Sprache: Deutsch
Erscheinungsjahr: 2017
Erscheinungsort: Homburg/Saar
SWD-Schlagwörter: Citronensäurezyklus
Atmungskette
Freie Schlagwörter: reaktive Sauerstoffspezies
zelluläres Eisendefizit
DDC-Sachgruppe: 610 Medizin, Gesundheit
Dokumentart : Dissertation
Kurzfassung: 1.1 Die Rolle eines zellulären Eisendefizits für den Energiehaushalt, die Funktion der Atmungskette, des Citratzyklus und die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) Die Rolle von Eisen in der Pathogenese der Herzinsuffizienz gerät jüngst immer mehr in den Fokus der aktuellen Forschung. So stellt ein Eisendefizit bei Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz einen negativen Prädiktor des klinischen Status und der Prognose der Patienten dar. Weiterhin hat die intravenöse Substitution von Eisen bei Patienten mit Herzinsuffizienz zu einer Verbesserung der Symptomatik, der Lebensqualität und der Hospitalisierung, nicht jedoch des Überlebens geführt. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es unklar, ob ein kardiales Eisendefizit eine kausale Rolle für die Pathogenese der Herzinsuffizienz spielt. Aus diesem Grunde war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, dies in einem Mausmodell zu verifizieren, in welchem die Eisenspiegel in Herzmuskelzellen durch spezifische Deletion (KO) der „iron-regulatory proteins“ IRP1 und IRP2, welche den Eisenhaushalt auf zellulärer Ebene koordinieren, um bis zu 30% reduziert sind. Es wurden hierbei die Atmung und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) Produktion an isolierten Mitochondrien sowie die kontraktile Funktion, der Redoxstatus von NAD(P)H/NAD(P)+ und FADH2/FAD sowie die ROS-Produktion in isolierten Herzmuskelzellen von IRP1/IRP2-KO oder Wildtyp-Kontroll-Mäusen verglichen. Darüber hinaus wurden die Aktivitäten verschiedener (und auch Eisen-abhängiger) Citratzyklus-Enzyme bestimmt. Die mitochondriale Atmung war in der Gegenwart von Substraten (Pyruvat/Malat) und der Abwesenheit (state 2) oder Gegenwart von ADP (state 3) nicht unterschiedlich zwischen den Genotypen. Ebenfalls die Produktion von Superoxid (•O2-; mittels Elektron Spin Resonanz Messung) oder die Emission von Wasserstoffperoxid (H2O2; mittels Amplex Ultra-Red-Assay) waren nicht unterschiedlich zwischen IRP1/IRP2-KO und Wildtyp-Mitochondrien. Schließlich waren auch die Aktivität wichtiger Citratzyklus-Enzyme sowie die Substrat-abhängige Generation von NADH und NADPH in isolierten Mitochondrien nicht unterschiedlich zwischen den Genotypen. Isolierte Kardiomyozyten wurden einem Protokoll ausgesetzt, welches einen physiologischen Anstieg der Arbeitslast simulierte (durch β-adrenerge Stimulation und das Anheben der Stimulationsfrequenz von 0,5 auf 5 Hz). Hierunter ergaben sich keine Unterschiede zwischen Wildtyp und IRP1/IRP2-KO hinsichtlich der systolischen und diastolischen Funktion der Herzmuskelzellen, der transienten Veränderungen des NAD(P)H- und FAD-Redoxstatus sowie der ROS-Emission (bestimmt durch den Fluoreszenzfarbstoff Dichlorodihydrofluoreszindiazetat, DCF). Wir schlussfolgern, dass die Deletion von IRP1 und IRP2 in Herzmuskelzellen keinen relevanten Einfluss auf die Funktion der Mitochondrien sowie der Herzmuskelzellen hat. Dies steht im Gegensatz zu Ergebnissen an einem Mausmodel mit IRP1/IRP2-KO in Hepatozyten, in denen eine ausgeprägte mitochondriale Dysfunktion und Leberversagen die Folge des KO war. Die Ursachen für diese organspezifischen Unterschiede im zellulären Eisenhaushalt sind bisher unklar. Es ist möglich, dass in IRP1/IRP2-KO Kardiomyozyten und Mitochondrien die Eisendefizienz durch andere Mechanismen kompensiert wird. Darüber hinaus ist es denkbar, dass das Fehlen von relevanten Unterschieden zwischen beiden Versuchsgruppen darauf zurückzuführen ist, dass sich die negativen Auswirkungen eines zellulären Eisendefizits, wie beispielsweise die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit und Lebensqualität der Patienten, nicht primär durch einen kardialen Eisenmangel manifestieren, sondern möglicherweise an anderen Stellen im Organismus, wie zum Beispiel an der Skelettmuskulatur. Somit bleibt die exakte Rolle von Eisen in der Pathogenese der Herzinsuffizienz unvollständig geklärt, da sowohl ein Mangel als auch ein Überschuss an Eisen prognostisch ungünstige Parameter bei Patienten mit Herzinsuffizienz darstellen und somit beide jeweils therapeutische Ansatzpunkte bieten könnten.
1.2 The influence of cellular iron deficiency on the energy balance, the function of the respiratory chain, the Krebs cycle and the formation of reactive oxygen species (ROS) Recently, the role of iron in the pathogenesis of chronic heart failure has become the focus of current research. It has been observed in clinical trials that iron deficiency in patients with chronic heart failure constitutes a negative predictor of the patients’ clinical status and prognosis. Moreover, intravenous iron substitution in the treatment of chronic heart failure has improved the patients’ symptoms, quality of life and hospitalization, but not their survival. It is currently unclear whether a cardiac iron deficiency plays a causal role in the pathogenesis of chronic heart failure. Therefore, the aim of the present study was to verify such a possible causality in a mouse model in which the iron levels in cardiomyocytes are reduced by up to 30% due to a specific deletion (KO) of the “iron-regulatory proteins” IRP1 and IRP2, which coordinate the iron balance at the cellular level. For this purpose, we compared mitochondrial respiration and formation of reactive oxygen species (ROS) in isolated mitochondria as well as the contractile function, the redox state of NAD(P)H/NAD(P)+ and FADH2/FAD and also ROS formation in isolated heart muscle cells of IRP1/IRP2-KO or wild-type control mice. In addition, the activities of several (and also iron-dependent) Krebs cycle enzymes were determined. There were no differences detectable between the genotypes concerning mitochondrial respiration, neither in the presence of substrates (pyruvate/malate) and the absence (state 2) or presence of ADP (state 3), respectively. Furthermore, the formation of superoxide (•O2-; by electron spin resonance measurements) or the emission of hydrogen peroxide (H2O2; by Amplex Ultra-Red-Assay) in IRP1/IRP2-KO mitochondria did not differ from those in wild-type mitochondria. Ultimately, the activities of important Krebs cycle enzymes as well as the substrate-dependent production of NADH and NADPH in isolated mitochondria were not different between the genotypes. Isolated cardiomyocytes were exposed to a protocol simulating a physiological increase in workload (by β-adrenergic stimulation and raising the stimulation frequency from 0.5 to 5 Hz). Concerning the systolic and diastolic function of the cardiomyocytes there were no differences detectable between the wild type and the IRP1/IRP2-KO mice neither regarding the transient changes of the NAD(P)H and the FAD redox state nor relating to the emission of ROS (which was determined by the fluorescent dye dichlorodihydrofluorescein diacetate, DCF). We conclude that the deletion of IRP1 and IRP2 in cardiac myocytes exerts no relevant influence on the function of mitochondria and the cardiac myocytes per se. This is in contrast to observations in a mouse model with hepatocyte-specific KO of IRP1/IRP2, in which the KO was accompanied by severe mitochondrial dysfunction and liver failure. The causes of these organ-specific differences in the impact of cellular iron depletion are still unclear. Potentially, the iron deficiency is compensated by other mechanisms in IRP1/IRP2-KO cardiomyocytes and mitochondria. Furthermore, it is conceivable that in patients with heart failure, the iron deficiency does not alter cardiac function, but rather the function of other organs such as skeletal muscles, which may contribute to the functional deficits of these patients. This may also explain why symptoms, but not prognosis was improved by iron supplementation in patients with heart failure. Thus, the exact role of iron (deficiency) in the pathogenesis of chronic heart failure remains uncertain, since both a deficiency as well as an excess of iron predict an adverse outcome in patients with chronic heart failure and therefore, both conditions may offer therapeutic targets.
Link zu diesem Datensatz: urn:nbn:de:bsz:291--ds-277404
hdl:20.500.11880/27347
http://dx.doi.org/10.22028/D291-27740
Erstgutachter: Maack, Christoph
Tag der mündlichen Prüfung: 15-Jun-2018
SciDok-Publikation: 6-Feb-2019
Fakultät: M - Medizinische Fakultät
Fachrichtung: M - Innere Medizin
Fakultät / Institution:SciDok - Elektronische Dokumente der UdS

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