Abnormalitäten kardialer Calciumkanäle in der Duchenne Muskeldystrophie

Die Duchenne Muskeldystrophie (DMD) ist eine schwere erbliche Erkrankung, die durch eine progressive Muskelschwäche charakterisiert ist, welche zu Gangunfähigkeit, Atemversagen, und frühzeitigem Tod führt. Neben derSkelettmuskeldegeneration ist DMDauch mitkardiovaskulären Komplikationen (Kardiomyopathieentwicklung und Herzrhythmusstörungen) assoziiert, welche signifikant zur Morbidität und Mortalität der Erkrankung beitragen. Weil die spezifischen Mechanismen, die den kardialen Komplikationen zugrunde liegen kaum bekannt sind, sind die derzeit angewandten Therapieansätze nicht zielgerichtet und bringen nur sehr wenig Nutzen. So kann die Kardiomyopathieentwicklung weder verhindert, noch ihre Progression effizient verlangsamt werden, und das derzeitige Management der Herzrhythmusstörungen ist unbefriedigend. Die zukünftige Herausforderung wird darin bestehen, neue und bessere therapeutische Angriffspunkte zu identifizieren und zu validieren. Die erfolgreiche Erforschung solcher Anfgriffspunkte erfordert ein besseres Verständnis der Pathophysiologie im Herzen von DMD Patienten. Aktuelle Forschungen deuteten darauf hin, dass eine abnormale Expression und/oder Funktion von spannungsabhängigen Ionenkanälen in Muskelzellen von DMD Herzen zur Pathophysiologie der Erkrankung beitragen. Zum Beispiel konnten wir unlängst zeigen, dass die Ströme durch L-Typ Ca2+ Kanäle in dystrophen Herzmuskelzellen signifikant vergrößert waren. Außerdem war die Inaktivierung der Ca2+ Ströme beeinträchtigt. Es gibt auch zunehmende Evidenz für die sehr spannende Ansicht, dass Ionenkanalabnormalitäten schon vorhanden sind bevor sich eine Kardiomyopathie entwickelt. Diese könnten also sogar Ursachen oder zugrunde liegende Mechanismen für Kardiomyopathieentstehung in DMD sein. Folglich erscheint die gezielte Beeinflussung von Ionenkanälen als vielversprechende Strategie zur Verhinderung der Erkrankung. Im geplanten Projekt werden wir folgende Hypothese testen: L-Typ Ca2+ Kanäle sind neue therapeutische Zielstrukturen in DMD Patienten zur Inhibierung oder sogar zur Verhinderung der Kardiomyopathieentwicklung, und zur Verbesserung des Managements von Herzrhythmusstörungen. Dazu werden wir zunächst die Ca2+ Kanalabnormalitäten und ihre funktionellen Auswirkungen in adulten dystrophen Herzmuskelzellen genau charakterisieren. Dies wird Studien zur Aufklärung der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen einschließen. Danach sollen die Effekte von pharmakologischen Interventionen mit Ca2+ Kanalmodulatoren getestet werden. Dazu sind Behandlungsversuche von dystrophen Mäusen mit potentiellen Arzneimitteln geplant. Für diese Studien wollen wir Herzmuskelzellen und Herzen, die von Mausmodellen für DMD gewonnen werden, hauptsächlichmitelektrophysiologischen Techniken, aber auch mittels intrazellulären Ca2+ Konzentrationsmessungen, biochemischen und molekularbiologischen Techniken, sowie pharmakologischen Experimenten untersuchen. Das geplante Methodenspektrumwird außerdemzur Beurteilungder Kardiomyopathie von dystrophen Mäusen Herzfunktionstests in vivo und Analysen an entnommenen Herzen beinhalten. Zusammen sollen unsere Studien Basiswissen für die Entwicklung von neuen, evidenzbasierten Behandlungsstrategien zur Bekämpfung der kardialen Komplikationen, die in DMD Patienten auftreten, bereitstellen.

Die Projektstudien konnten substantielle Ionenkanal- und Calcium (Ca) "handling"- Abnormalitäten in dystrophen Herzmuskelzellen aufdecken, welche potentielle neue therapeutische Zielstrukturen für die Behandlung der kardiovaskulären Komplikationen, die im Rahmen der Duchenne Muskeldystrophie (DMD) auftreten, darstellen. Bei DMD Patienten treten Gangunfähigkeit, Atemversagen, und vorzeitiger Tod auf. Neben der Degeneration des Skelettmuskels sind DMD Patienten auch mit schweren kardiovaskulären Komplikationen konfrontiert. Hierbei tragen Herzrhythmusstörungen und die Entwicklung einer dilatativen Kardiomyopathie beträchtlich zur Morbidität und Mortalität der Erkrankung bei. Da die spezifischen Mechanismen, welche diese Komplikationen in der DMD verursachen, bis heute kaum verstanden werden, sind die derzeitigen Therapiestrategien weder zielgerichtet noch effektiv. Im durchgeführten Projekt konnten wir zeigen, dass abnorme Funktion von Herzionenkanälen und gestörtes intrazelluläres "Ca handling" wichtige Merkmale von dystrophen Herzmuskelzellen sind, welche für die mit DMD assoziierten kardiovaskulären Komplikationen verantwortlich gemacht werden können. Im Besonderen fanden wir reduzierte Natrium- und T-Typ Ca- Kanal- Aktivität im dystrophen Herzen, was Leitungsdefekte und assoziierte Herzrhythmusstörungen bei DMD Patienten erklären könnte. Weiters konnten wir zeigen, dass intrazelluläre Ca Transienten von dystrophen Herzmuskelzellen abnorm klein waren und eine verzögerte Abklingphase hatten. Dies deutete auf eingeschränkte Ca Freisetzung aus intrazellulären Speichern, sowie gestörte Ca Entfernung aus dem Zellinneren nach erfolgter Freisetzung hin. Diese Abnormitäten im "Ca handling" erklären eine eingeschränkte Funktion im dystrophen Herzen. Die genannten Ergebnisse waren für uns ein Ansatzpunkt für die Entwicklung von neuen zielgerichteten und evidenzbasierten therapeutischen Strategien. Hier konnten wir zeigen, dass Behandlung von DMD- Tiermodellen mit dem klinisch bereits zugelassenen Wirkstoff Ivabradin zu einer Verbesserung der Herzfunktion führte. Dies war auf eine Wiederherstellung eines normalen "Ca handlings" in dystrophen Herzmuskelzellen zurückzuführen. Als zweite therapeutische Herangehensweise wurde eine Gentherapie- Strategie angewandt. Durch Microdystrophin- Transfer in dystrophen Mäusen konnten wir normale Natriumkanalaktivität in dystrophen Herzmuskelzellen wiederherstellen. Dies sollte das Risiko für Herzrhythmusstörungen im dystrophen Herzen minimieren. Die Ergebnisse, die im Rahmen des bearbeiteten Projekts gewonnen wurden, sind direkt klinisch relevant, weil die erfolgreiche Validierung von Zielstrukturen, gefolgt von vielversprechenden Tierversuchen zur Erprobung von therapeutischen Strategien, klinische Studien initiieren könnte. Dies könnte schlussendlich zu erfolgreichen Therapien von kardiovaskulären Komplikationen bei DMD Patienten führen, und/oder das Management von Herzrhythmusstörungen verbessern. Neben der klinischen Relevanz würde eine erfolgreiche Medikamentneuentwicklung auch einen beachtlichen ökonomischen Nutzen bringen.