Development of a 3D myocardial damage analysis tool for the evaluation of multi-target cardioprotection strategies
Current clinical practice for acute myocardial infarction (AMI) involves the timely reperfusion of the ischemic myocardium, which causes further cell death and tissue damage, the so-called myocardial ischemia/reperfusion (I/R) injury. While various means of cardioprotection to minimize infarct size have been investigated in pre-clinical and clinical studies, none have translated into treatment options that improve patient outcomes. This has been attributed to the limited focus on singular mechanisms of action, whether it is increasing cardiomyocyte survival, preserving endothelial integrity, or modulating the immune system response. As such, multi-target strategies dealing with two or all three cellular entities have been proposed as promising approaches.
In several experimental setups, the protective effects of nitric oxide (NO) on the injured myocardium have been investigated. Since NO influences the immune system but can also posttranslationally modify proteins via S-nitrosation, it acts in a multi-targeting way. In the work presented herein, myoglobin-facilitated production of NO from nitrite was used to inhibit calpain activity, which mediates apoptosis-inducing pathways, e.g., those at the mitochondria. Indeed, investigated calpains 1, 2 and 10 showed higher S-nitrosation levels after nitrite supplementation, combined with less overall calpain activity and improved cell survival/tissue preservation. Similarly, the localization of calpains at the mitochondria was altered.
Furthermore, this work presents the development of a novel approach for I/R injury analysis using light sheet fluorescence microscopy to enable simultaneous measurement of several I/R injury parameters in the same specimen. The endothelial marker CD31 was used to determine the I/R injury size, which was equal to that measured by traditional methods. In combination with labeling of immune cells (Ly-6G for neutrophils and F4/80 for macrophages) it was possible to correlate and co-localize the I/R injury size and response inside the same heart. In addition, abnormal CD31 expression after 5 d of reperfusion (termed CD31curly) was similar in size and localization as the damage found at 24 h and could be established as a proxy for analysis of the original injury days after the incident.
Taken together, this work presents a novel approach for cardioprotection after AMI based on calpain inhibition, as well as a promising technique for I/R injury investigation using light sheet-guided analysis.
Der gegenwärtige klinische Standard zur Therapie des akuten Myokardinfarktes (AMI) beinhaltet eine zeitige Reperfusion des ischämischen Myokards. Diese erfolgreiche Reperfusion kann jedoch einen weiteren Zelltod und Gewebeschaden verursachen, der sogenannte Ischämie/Reperfusions- (I/R) Schaden. Verschiedene Möglichkeiten der Kardioprotektion zur Minimierung der Infarktgröße wurden in vorklinischen und klinischen Studien untersucht. Bisher hat jedoch kein Ansatz die Translation in die Klinik geschafft. Dies wurde zurückgeführt auf die Limitierung der Untersuchung einzelner Wirkmechanismen, genauer entweder vermehrtes Überleben der Kardiomyozyten, Bewahrung der Endothelintegrität oder Modulation der Immunantwort. Daher werden multi-target Strategien, die zwei oder alle drei zelluläre Entitäten behandeln, als vielversprechende Herangehensweise betrachtet.
In verschiedenen experimentellen Studien konnten die protektiven Effekte von Stickstoffmonoxid (NO) auf das geschädigte Myokard nachgewiesen werden. NO hat sowohl einen Einfluss auf das Immunsystem, als auch die Möglichkeit Proteine mittels S-Nitrosierung posttranslational zu modifizieren und wirkt so als multi-target Strategie. In dieser Arbeit wurde die durch Myoglobin vermittelte Produktion von NO aus Nitrit dazu genutzt die Aktivität von Calpainen zu hemmen, welche Apoptosesignalwege z.B. am Mitochondrium anstoßen. Die untersuchten Calpaine 1, 2 und 10 zeigten einen erhöhten S-Nitrosierungsspiegel und es konnte eine verringerte Calpainaktivität, sowie ein vermehrtes Überleben der Zellen gemessen werden. Auch die Lokalisation der Calpaine am Mitochondrium war beeinflusst.
Weiterhin wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Analyse des I/R-Schadens mittels Lichtblattfluoreszenzmikroskopie (LSFM) etabliert, welches die gleichzeitige Messung verschiedener Parameter des I/R-Schadens in der gleichen Probe ermöglicht. Der hier benutzte endotheliale Marker CD31 zeigte dabei gleiche Infarktgrößen an wie traditionelle Methoden. Kombiniert mit der Markierung von Immunzellen (Ly-6G für Neutrophile und F4/80 für Makrophagen) war eine Korrelierung und Ko-Lokalisation von I/R Schaden und Antwort im selben Herzen möglich. Auch ermöglichte die abnormale CD31 Expression nach 5 d Reperfusion (CD31curly) eine Quantifizierung und Lokalisation des ursprünglichen Schadengebietes nach 24 h.
Zusammengenommen zeigt diese Arbeit eine neue Möglichkeit der Kardioprotektion nach AMI basierend auf Inhibierung von Calpainen, sowie eine vielversprechende Methode zur I/R-Schadensanalyse mittels LSFM.