Endothelabhängige Dilatation

 

 

Der Sauerstoff- und Nährstoffbedarf der Organe variiert mit der Beanspruchung und entsprechend wird die Organ- durchblutung ständig dem wechselnden Bedarf angepaßt. Dies wird durch eine Anpassung des Gefäßdurchmessers realisiert. Die ausgeprägtesten Änderungen der Durchblutung finden sich im Skeletmuskel, dessen Perfusion bei Belastung um das 20-fache ansteigen kann. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die kleinen Arterien (Arteriolen), die den höchsten Widerstand innehaben. Für die Erweiterung (Dilatation) dieser Gefäße ist das Endothel (Bild: blaue Zellen, EC) entscheidend, welches durch die Freisetzung von Substanzen den benachbarten glatten Gefäßmuskel (rote Zellen, VSM) in seinem Kontraktionszustand beeinflusst. Diese endothelialen dilatierenden Substanzen beinhalten Stickstoffmonoxid (NO), Prostaglandine (PG), und einen weiteren bisher chemisch noch nicht eindeutig identifizierten Faktor, der wegen seiner Wirkung auf das Membranpotential (EM) als 'endothelium-derived hyperpolarising factor' (EDHF) bezeichnet wird. Die Aktivität des EDHF beruht auf der Aktivierung von endothelialen Kalium-Kanälen (SKCa, IKCa), was durch den Kalium (K+) Ausstrom zu einer Hyperpolarisation (Senkung des Membranpotentials EM zu negativeren Werten) führt. Diese Hyperpolarisation des Endothels wird entweder chemisch oder direkt über myoendotheliale Verbindungen (Gap Junctions) auf den glatten Muskel übertragen, so daß es dort auch zu einer Hyperpolarisation kommt und eine Dilatation erreicht wird. Die Freisetzung der endothelialen Faktoren (NO, PG, EDHF) wird durch mechanische (intravasaler Druck, Schubspannung) und chemische Stimuli (z.B. Acetylcholin (ACh) oder Bradykinin (Bk)) moduliert. In der Arbeitsgruppe wird die Freisetzung und Relevanz dieser Faktoren sowie ihr Zusammenspiel und die angesteuerten Signalmechanismen in der glatten Gefäßmuskulatur (z.B. NO und Aktivierung der Guanylatzyklase (sGC), die den second messengers cGMP bildet, s. Bild) untersucht. Des weiteren üben bestimmte gefäßwirksame Substanzen auch eine direkte Wirkung auf die glatte Muskulatur aus, z.B. Adenosin (ADO) durch die Aktivierung von ATP-abhängigen Kaliumkanälen (KATP) und eine Hyperpolarisation der glatten Muskulatur. Die Abbildung zeigt weiterhin interzelluläre Kanäle (Gap Junctions), die aus Connexinen (Cx) bestehen, unterschiedliche Widerstände (in Mega Ohm angegeben) aufweisen und eine Kommunikation zwischen Endothelzellen und glatter Muskulatur unter- und miteinander ermöglichen.

 

Zellkommunikation und Koordination in Gefäßen

Ein Fisch- oder Vogelschwarm zeigt kollektives Verhalten ('Schwarmverhalten') und bewegt sich 'als Masse' obgleich der großen Anzahl von Individuen. In Analogie wird die Organfunktion aufrechterhalten von einer großen Zahl von Zellen deren Verhalten aber koordiniert und orchestriert ist. Die Notwendigkeit der Kommunikation ist offensichtlich, um dieses Ziel zu erreichen. Der Kommunikationskanal ist tatsächlich ein Kanal, der die Zytosole benachbarter Zellen über eine gegen den Extrazellulärraum abgeschlossene Pore miteinander verbindet (siehe Schema oben). Viele Kanäle clustern in einer spezifischen Zellregion, in der die benachbarten Zellmembranen in engen Kontakt treten, und bilden eine niedrig-ohmige Verbindung (Gap Junction), die den Austausch von Ionen und anderen kleinen Molekülen erlaubt. Die molekularen Bausteine dieser Kanäle sind Connexine (Cx). Da Ionen und damit Spannung transferiert werden, verbinden Gap Junctions viele individuelle Endothelzellen oder viele glatte Muskelzellen zu einer synchron aktivierten Einheit. Dieses Verhalten der Gefäße wird unten an einem Beispiel erläutert.


Neben der Wirkung in der direkten Umgebung der Freisetzung hat v.a. der EDHF auch eine Fernwirkung, da die lokal ausgelöste Bildung von EDHF auch eine gleichgerichtete Gefäßantwort stromauf- und stromabwärts auslösen kann (fortgeleitete Antwort, Erläuterung im Schema rechts). Hierbei ist offensichtlich das Membranpotential von besonderer Bedeutung, welches über interzelluläre Kontakte innerhalb der Gefäßwand weitergeleitet werden kann. Die Zellkontakte ermöglichen eine Koordination des Gefäßverhaltens über längere Strecken, d.h. das Gefäß erweitert oder verengt sich über einen relativ langen Bereich gleichmäßig und dies ist eine notwendige Voraussetzung für große Steigerungen der Durchblutung. Molekular bestehen die Zellkontakte aus interzellulären Kanälen, die benachbarte Zellen direkt miteinander koppeln und von Connexinproteinen gebildet werden. Ein Cluster solcher Connexinkanäle wird Gap Junction genannt, die eine Kommunikation entlang der Endothelschicht oder der glatten Muskulatur und so entlang des Gefäßbaums ermöglichen. Wir untersuchen, die Rolle der verschiedenen Connexine und anderer Mechanismen bei der Ausbreitung von Gefäßantworten (Dilatation oder Konstriktion) entlang des arteriolären Gefäßbaums.

 
Lokalisierte Stimulation mit Acetylcholin (ACh, Pipette, rechts) löst eine Dilatation an der Applikationsstelle aus (oben). Diese Dilatation breitet sich entlang der Arteriole aus und läßt sich ebenso an einer entfernten Position beobachten, wo sie nahezu ohne zeitliche Verzögerung auftritt (unten). (Durchmesser der Arteriolen: ca. 30 µm, Entfernung 1100 µm).
 

Gap Junctions und Connexine

Gap junctions sind Kanäle, die benachbarte Zellen bzw. deren Zytoplasma direkt miteinander verbinden. Sie werden gebildet von Connexinproteinen, von denen es unterschiedliche Typen gibt. In vaskulären Zellen werden die Connexine (Cx) Cx40, Cx37, Cx43 und Cx45 exprimiert. In der Mikrozirkulation sind die Aufzweigungen der Gefäße nach Markierung der Expression eines Cx deutlich erkennbar (Bild rechts, Cx in rot, Zellkerne in blau). Sechs dieser Proteine (unterschiedliche oder identische Subtypen) lagern sich zu einem Halbkanal zusammen, der in die Zellmembran eingebaut wird. Dieser Halbkanal dockt mit einem ebensolchen der benachbarten zu einem funktionstüchtigen interzellulären Kanal zusammen. Durch diese Kanäle können Ionen entsprechend der elektrochemische Triebkräfte (Membranpotential, Konzentration) strömen, aber auch andere kleinmolekulare Substanzen diffundieren. Auf diese Weise wird ein funktioneller Zellverband gebildet, der gemeinsam reagiert bzw. agiert. Für die oben erläuterten fortgeleiteten Gefäßantworten sind die Connexinkanäle von Bedeutung, denn der Verlust bestimmter Connexine führt zu einer Abschwächung der Gefäßantwort in der Entfernung und damit dem Versagen der koordinierten Gefäßantwort.

Methoden im Labor

1. Untersuchung der Mikrozirkulation mittels Intravitalmikroskopie und direkter Beobachtung der Arteriolen mit der Möglichkeit Druck, Fluß, Durchmesser und Membranpotential der vaskulären Zellen direkt zu messen
Messung des Membranpotentials in Arteriolen in der Mikrozirkulation
(Links: Endothelzelle; rechts: glatte Muskelzelle)
2. Untersuchung isolierter Gefäße im Myographen
(isometrische Kraftmessung oder isobarische Durchmesserbestimmung, s. Bild)
Isobarische Präparation: Nach Kanülation wird ein intravasaler Druck erzeugt und der Durchmesser kann bestimmt werden Isometrische Präparation:
Nach Vordehnung wird die vom Gefäß entwickelte Kraft gemessen
3.

Blutdruckmessung am Versuchstier

Ausgewählte Publikationen

1.

Wölfle SE, Schmidt VJ, Hoyer J, Köhler R, de Wit C
Prominent role of KCa3.1 in EDHF-type dilations and conducted responses in the microcirculation in vivo
Cardiovasc Res 82, 476-483, 2009

2.

Wölfle SE, Schmidt VJ, Hoepfl B, Gebert A, Alcoléa S, Gros D, de Wit C
Connexin45 (Cx45) cannot replace the function of Cx40 in conducting endothelium-dependent dilations along arterioles
Circ Res 101, 1292-1299, 2007

3.

Siegl D, Koeppen M, Wölfle SE, Pohl U, de Wit C
Myoendothelial coupling is not prominent in arterioles within the mouse cremaster microcirculation in vivo
Circ Res 97, 781-788, 2005

4.

Wölfle SE, de Wit C
Intact endothelium-dependent dilation and conducted responses in resistance vessels of hypercholesterolemic mice in vivo
J Vasc Res 42: 475-482, 2005

5.

Koeppen M, Feil R, Siegl D, Feil S, Hofmann F, Pohl U, de Wit C
cGMP-dependent protein kinase mediates NO- but not acetylcholine-induced dilations in resistance vessels in vivo
Hypertension 44: 952-955, 2004

6.

de Wit C
Connexins pave the way for vascular communication
News Physiol Sci 19: 148-153, 2004

7.

de Wit C, Roos F, Bolz SS, Pohl U
Lack of vascular connexin40 is associated with hypertension and irregular arteriolar vasomotion
Physiol Gen 13:169-177, 2003

8.

Hoepfl B, Rodenwaldt B, Pohl U, de Wit C
EDHF, but not NO or prostaglandins, is critical to evoke a conducted dilation upon ACh in hamster arterioles
Am J Physiol 283: H996-H1004, 2002

9.

de Wit, C, Roos F, Bolz St-S, Kirchhoff S, Krüger O, Willecke K, Pohl U
Impaired conduction of vasodilation along arterioles in connexin40 deficient mice
Circ Res 86: 649-655, 2000