Anpassungsfähigkeit des larvalen Herz-Kreislaufsystems

Im Gegensatz zur Situation bei den adulten Wirbeltieren ist die Funktion des Herz-Kreislaufsystems der frühen Larvalstadien noch nicht an die Erfordernisse des Stoffwechsels gekoppelt, und die autonome Regulation der Herzaktivität ist erst in späten Entwicklungsstadien möglich. Die initiale Bildung der großen Blutgefäße erfolgt offenbar gemäß einem vorgegebenen genetischen Muster. Dennoch ist bereits in frühen Entwicklungsstadien eine Modifikation der Durchblutung durch zirkulierende Hormone und durch lokale Effektoren möglich. Im vorliegenden Projekt soll untersucht werden, inwieweit eine erhöhte Stoffwechselaktivität zu einer Modifikation der Gewebedurchblutung beitragen kann. Die erhöhte Stoffwechselaktivität wird dadurch hervorgerufen, daß die Larven für 15h am Tag einer Wasserströmung ausgesetzt werden. Wie unsere bisherigen Versuche gezeigt haben, sind Larven, die unter derartigen Bedingungen aufwachsen, wesentlich resistenter gegen Sauerstoffmangel. In den hier geplanten Versuchen soll nun festgestellt werden, ob eine verbesserte Herz-Kreislauffunktion oder eine optimierte Organdurchblutung die Ursache für die Hypoxieresistenz sind. Eine Erhöhung des Herz-Zeitvolumens, hervorgerufen durch eine Veränderung der Herzaktivität oder durch eine hormonell ausgelöste Vasodilatation in peripheren Gefäßen, könnte z.B. den Sauerstofftransport zu den Geweben verbessern. Daher soll zum einen der Einfluß des Schwimmens auf die Herzaktivität untersucht werden, zum anderen soll in pharmakologischen Studien nach vasodilatierend wirkenden Rezeptoren gesucht werden. Ein Vergleich zwischen trainierten und untrainierten Tieren wird zeigen, ob in trainierten Tieren eine erhöhte Sensitivität oder eine erhöhte Expression von vasodilatierend wirkenden Rezeptoren zu einer Verbesserung der Durchblutung führt und somit zur erhöhten Resistenz gegen Sauerstoffmangel beiträgt. Eine Verbesserung der Hypoxieresistenz kann aber auch eine Vermehrung von Erythrozyten, also durch eine Erhöhung der Sauerstofftransportkapazität im Blut, erreicht werden. Daher mit Hilfe der digital motion analysis die Anzahl der Erythrozyten in einem definierten Blutvolumen, und somit der Hämatokrit, bestimmt werden. Die Versuche werden somit wesentlich zu unserem Verständnis der funktionellen Entwicklung des Herz-Kreislaufsystems beitragen und verdeutlichen, wie anpassungsfähig das larvale Herz-Kreislaufsystem ist.

Der Skelettmuskel der Wirbeltiere ist zusammengesetzt aus so genannten schnellen` und langsamen` Muskelfasern (weißen und roten Muskelfasern), auch ein intermediärer Fasertypus ist oft vorhanden. Aus der Sport- und Leistungsphysiologie ist bekannt, dass durch ein geeignetes Trainingsprogramm schnelle Muskelfasern in langsame umgewandelt werden können, oder auch langsame in schnelle. In diesem Projekt wurde untersucht, inwieweit sich bereits während der Larvalentwicklung eine erhöhte Muskelaktivität auf die Ausdifferenzierung des Muskels bzw. seiner Blutversorgung auswirkt. Die Versuche wurden mit Zebrafischlarven durchgeführt. Der Zebrafisch ist ein akzeptierter Modellorganismus in der Molekularbiologie. Aufgrund seiner Transparenz in den ersten Entwicklungsphasen lässt sich sowohl die Aktivität als auch die Ausbildung des Herz-Kreislaufsystems sehr gut mit den von unserem Labor entwickelten optischen Methoden am lebenden Tier analysieren, so dass die Larven auch für physiologische Experimente ein geeignetes Modell darstellen. In Zebrafischlarven, die zwischen dem 9. und 15. Entwicklungstag bzw. zwischen dem 21. und dem 32. Entwicklungstag für jeweils 16-18 Stunden am Tag in einem Schwimmkanal einer Wasserströmung von 5 Körperlängen pro Sekunde ausgesetzt waren, war eine signifikante Zunahme der Mitochondriendichte vor allem in den roten und intermediären Muskelfasern zu beobachten. Zudem wurde in den älteren Larven eine deutliche Zunahme der Kapillarisierung der Muskulatur und auch der Schwanzflosse festgestellt. Die chronisch erhöhte Muskelaktivität resultiert also in einer verbesserten Blutversorgung der Muskulatur und fördert die Ausbildung der langsamen, auf Ausdaueraktivität spezialisierten Muskelfasern. Die Ergebnisse zeigen somit, dass bereits in frühen Entwicklungsstadien die Organdifferenzierung durch eine gewisse Plastizität in Bezug auf Umweltreize charakterisiert ist, und nicht nur durch die genetische Information vorgegeben ist. In weiteren Versuchen konnte eine Methode entwickelt werden, um in vivo die Sauerstoffbeladung des Hämoglobins mit optischen Methoden zu messen. Es zeigte sich, dass innerhalb der ersten 12 Tage der Larvalentwicklung zum Teil eine reduzierte Sauerstoffsättigung des Hämoglobins im zentralen Kreislaufsystem registriert wurde. Die deutlich verringerte Sauerstoffsättigung des Hämoglobins am 12. Tag der Entwicklung bestätigt die bisherige Vermutung, dass zwischen dem 12. und 14. Tag der Entwicklung der Kreislauf für die Sauerstoffversorgung wichtig wird. In weiteren Projekten sollen nun die molekularen Grundlagen für die Plastizität der Organdifferenzierung während der frühen Larvalentwicklung analysiert werden.