Differentielle Effekte der Rechts- und Linksherzinsuffi-zienz auf die Skelettmuskulatur in Ratten

Ein chronisches Herzversagen entwickelt sich beim Menschen in den meisten Fällen sehr langsam, wobei es charakteristischerweise zu einem schleichenden Übergang von der kom-pensatorischen, adaptiven Hypertrophie des Myokards zu einer maladaptiven Dekompensa-tion kommt. Ein oftmals zusätzlich auftretendes Symptom bei einer kardialen Dysfunktion ist die Belastungsintoleranz. Ausgelöst wird diese Belastungsintoleranz u. a. durch eine Skelettmuskelschwäche, die eine allgemeine systemische Manifestation in diesem Krank-heitsbild ist und zu einer erhöhten Sterberate der Patienten beiträgt. Die unterschiedlichen Auswirkungen auf die Skelettmuskulatur infolge einer chronischen Rechts- bzw. Links-herzinsuffizienz wurden allerdings bisher nicht vergleichend untersucht. In dieser Arbeit werden daher verschiedene histologische sowie molekularbiologische Parameter, wie z. B. die katabole/anabole Balance oder der Energiemetabolismus in der Skelettmuskulatur, in einem neuen zweistufigen Modell der Rechtsherzinsuffizienz mit einem bereits etablierten Modell der Linksherzinsuffizienz bei Ratten untersucht.
Zur Untersuchung einer chronischen rechtsventrikulären (RV) bzw. linkventrikulären (LV) Dysfunktion und ihrer Auswirkungen auf die peripheren Organe wurde entweder eine pul-monal-arterielle Bändelung (PAB) oder eine aortale Bändelung (AOB) in jungen Ratten durchgeführt. Der hierbei verwendete Clip war zum Zeitpunkt der OP nicht einengend für das entsprechende Gefäß, wodurch mit dem Wachstum der Tiere eine langsam zunehmende Stenose induziert wurde. Diese führte schließlich zu einem graduellen Übergang einer kompensierten kardialen Hypertrophie (7 Wochen nach der Konstriktion) zu einer chroni-schen Insuffizienz des belasteten Ventrikels (22 bis 26 Wochen nach Konstriktion). Die kardiale Funktion wurde anschließend echokardiographisch untersucht. Systemisch zirku-lierende Mediatoren wurden mittels ELISA bestimmt und drei verschiedene Muskel (M. soleus, M. gastrocnemius und das Zwerchfell) wurden histologisch und molekularbiolo-gisch mittels RT-qPCR, Antikörper-Arrays, Enzymassays und Western Blot analysiert. Des Weiteren wurde die mitochondriale Funktion anhand von Enzymaktivitätsmessungen und Mikrorespirometrie bestimmt.
In den Tiermodellen wurden zwei klar zu unterscheidende Stadien (adaptive, kompensatori-sche Hypertrophie und maladaptive, ventrikuläre Dekompensation) der Rechts- bzw. Linksherzinsuffizienz erreicht. Dies ermöglicht es uns unter Verwendung dieser beiden Modelle die differentiellen Effekte der Rechts- und Linksherzinsuffizienz auf die Skelett-muskulatur in Ratten zu untersuchen. Die echokardiographischen Analysen sowie die Un-tersuchungen des Plasma BNPs wiesen auf ein vergleichbar schweres Stadium der Herzin-suffizienz in den beiden Tiermodellen hin. Im Stadium der kompensatorischen Hypertro-phie konnten lediglich geringfügige Veränderungen in der Skelettmuskulatur beobachtet werden, wohingegen in der Dekompensation eine deutliche Beeinträchtigung der Muskula-tur sichtbar wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die beeinträchtigenden Auswirkungen auf die Skelettmuskulatur beim Linksherzversagen deutlich ausgeprägter sind, wohingegen die Effekte bei der Rechtsherzinsuffizienz vergleichbar gering ausfallen. Besonders beeinflusst hiervon ist vor allem die nur bei Bedarf aktivierte Muskulatur (M. soleus und M. gast-rocnemius), wohingegen das konstant aktive Zwerchfell im direkten Vergleich weniger beeinträchtigt scheint. Eine Muskelatrophie ließ sich anhand der reduzierten Muskelmasse sowie an dem abnehmenden Durchmesser der Muskelfasern innerhalb des M. soleus und des M. gastrocnemius erkennen. Des Weiteren wurde eine erhöhte Proteasomaktivität so-wie eine gesteigerte Expression der Ubiquitin E3 Ligase MuRF1, erhöhte Autophagie, mi-tochondriale Dysfunktion und eine beeinträchtigte Funktion der Atmungskette beobachtet. In den PAB-Ratten konnten nur geringe Effekte auf die Skelettmuskulatur festgestellt wer-den.
Die ersten Anzeichen für eine Beeinträchtigung der Skelettmuskulatur sind die mitochond-riale Dysfunktion sowie die Hochregulation des Myostatins, welches das Muskelwachstum hemmt. Ursächlich für die Veränderungen innerhalb der peripheren Muskulatur nach AOB könnte die von uns beobachtete Aktivierung des RAAS sein. Die differentiellen Effekte einer chronischen Herzinsuffizienz auf die Atem- und Skelettmuskulatur hingegen könnten darin begründet sein, dass atrophische Vorgänge durch die gesteigerte Muskelaktivität in-folge einer verstärkten Atmung im Sinne eines Trainingseffektes kompensiert werden kön-nen. Chronic heart failure develops mostly slowly in humans, which leads to a slow transition of adaptive hypertrophy to maladaptive decompensation. This also affects peripheral organs in patients. As a consequence, exercise intolerance is a cardinal symptom in right ventricular (RV) and left ventricular (LV) failure. The underlying skeletal muscles contribute to an increased morbidity in diseased patients. So far, differences in the development of left and right heart failure and their effects on peripheral organs are insufficiently understood. In this study we aimed to generate a novel two-stage model of RV failure and compare RV failure in this model to an established model of LV failure, as well as the effects on skeletal muscle sarcopenia.
Therefore, pulmonary artery banding (PAB) or aortic banding (AOB) were performed in weanling rats, with a non-constricting clip at the time of surgery inducing a slow transition from compensated cardiac hypertrophy (7 weeks after banding) to heart failure (22-26 weeks after banding). Subsequently, cardiac function was characterized by echocardiography. Plasma parameters were analysed by the use of ELISA assays and the differential effects of RV and LV failure onto the skeletal muscles were investigated. Metabolic balance and energy metabolism were analysed within three different skeletal muscles, soleus and gastrocnemius muscle as well as the diaphragm, were analysed by histological staining, mitochondrial function analysis (enzymatic activity and oxygen consumption), real-time qPCR and western blot.
Echocardiographic analyses and blood parameters (BNP) revealed two clearly distinguishable stages of left and right heart disease with a comparable severity. Compensatory hypertrophy results only in minor changes, at the stage of decompensation instead soleus and gastrocnemius muscle of AOB rats demonstrated a significant impairment. They showed a reduced weight as well as a reduced fibre diameter, higher proteasome activity and expression of the muscle-specific ubiquitin E3 ligase “muscle-specific RING finger 1“. Furthermore, an increased expression of the atrophy marker myostatin, increased autophagy activation, impaired mitochondrial function, and impaired respiratory chain gene expression could be observed. In PAB animals soleus and gastrocnemius muscle did not show these significant changes, only minor effects could be observed. The diaphragm did not show any differences in both models and disease stages except the myostatin expression, which was altered at the stage of decompensation in both models.
In both models the results confirmed that animals reached a comparable stage of heart failure, therefore they could be used to study the gradual transition from compensatory hypertrophy to heart failure. Alterations regarding skeletal muscle impairment are more pronounced in left heart failure than in right heart failure. Generally, heart failure induced significant muscle atrophy, which was indicated by an impaired protein metabolism as well as mitochondrial dysfunction. The reason for these changes within the peripheral muscles after AOB is most probably the observed activation of the RAAS.
Most changes appeared within the soleus and gastrocnemius muscle while the diaphragm was not impaired. The earliest signs of skeletal muscle impairment are the mitochondrial dysfunction and the upregulation of myostatin, which inhibits muscle growth. Differences regarding the diaphragm compared with the soleus und gastrocnemius are likely due to compensatory mechanisms as a result of increased muscle activity.