Gene-Silencing von Adhäsionsmolekülrezeptorproteinen an Herzmuskelzellen zur transienten Myokardprotektion während extrakorporaler Zirkulation

Abstract

Die noch junge siRNA-Technologie stellt eine vielfältig einsetzbare Gene- Silencing-Methode dar, welche älteren Anwendungen, wie den Antisense- Oligonekleotiden überlegen ist. Dieses Potential kann auch im Bereich der Herzchirurgie zur Behandlung der postoperativen, Zytokin-induzierten Herzinsuffizienz eingesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte am Zellkulturmodell die Suppression des Adhäsionsmoleküls ICAM-1 durch spezifische siRNA gezeigt und quantifiziert werden. Dieses Adhäsionsmolekül vermittelt die Bindung von Entzündungszellen an Kardiomyozyten, woraus eine Abnahme der Zellkontraktilität und letztendlich eine Herzinsuffizienz resultiert. Dazu wurden primäre Kardiomyozyten durch Kollagenase-Trypsin-Verdau aus Herzmuskelgewebe isoliert und kultiviert. Diese Kultur wurde zunächst mittels Lipofektion mit siRNA gegen ICAM-1 transfiziert und im Anschluss durch TNF-alpha aktiviert. Nach RNA-Isolation und cDNA-Synthese erfolgte die quantitative Auswertung der relativen ICAM-Expression mit der RT-PCR. Zunächst konnte bei porcinen Kardiomyozyten zunächst durch Zytokin- Stimulation eine bis zu 12-fach erhöhte ICAM-1 Expression gemessen werden. Darüberhinaus konnte durch Transfektion der siRNA ein Knock-Down der Expression bis zu 41% im Vergleich zu nicht-transfizierten Zellen erreicht werden. Die humanen Zellen zeigten eine zwei-fach erhöhte ICAM-1 Expression bei Zytokin-Stimulation und ließen sich nicht transfizieren, da ihr Überleben in der Kultur dafür nicht ausreichte. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass auch die auf Grund ihrer bescheidenen Adhärenz schwierig zu transfizierenden Kardiomyozyten in ihrer Genexpression durch die siRNA-Technologie beeinflussbar sind, auch wenn die Erfolgsrate noch unter anderen Zellsystemen wie z.B. Endothelzellen liegt. In Zukunft soll die siRNA-Technologie in der Herzchirurgie in vivo einsetzbar werden. So kann die siRNA zur Protektion des Herzmuskels während herzchirurgischen Eingriffen beitragen. Dazu soll die siRNA der kardioplegen Lösung zur Induktion des Herzstillstandes beigemischt werden, um die in dieser Arbeit gezeigte Suppression von ICAM-1 zu bewirken und damit eine Schädigung des Myokardgewebes verhindern, sowie einer postoperativen Herzinsuffizienz vorbeugen.

SiRNA-Technology is a young, but manifold applicable method for gene silencing, which is predominant to older applications like antisense-oligonecleotides. This potential can be used in heart surgery to handle postoperative, cytocine-induced heart failure. In the present work we wanted to show and quantify the suppression of the adhesion molecule ICAM-1 by using a specific siRNA at a cell culture model. ICAM-1 mediates the binding of monocytes to cardiac myocytes. The result of the binding is a decrease of cell contractility and the end a heart failure. Methods: At first we isolated primary cardiac myocytes by using collagenase-trypsin digestion out of the heart tissue und cultivate them. Then we transfected the cultured cardiac myocytes by using lipofection with siRNA against ICAM-1 und activated the cells with TNF-alpha. After RNA-isolation und cDNA-synthesis we detected the relative ICAM-1 expression by real time-PCR. Results: Without transfection but using TNF-alpha stimulation a 12 times higher ICAM-1 expression could be deteceted in porcine cells. By transfecting the cells a knock down of ICAM-1 expression of 41 % could be achieved. Human cells are harder to stimulate, they gain a two times higher ICAM-1 expression by stimulating with TNF-alpha. A transfection was not possible because of cell death during the first 12 hours after isolation. In this work we could show that a transfection of cardiac myocytes and a manipulation of gene expression using the siRNA technology in fact of all problems like lacking adherence in cell culture are possible. But the efficiency rate is lower than in other cell systems like endothel cells. In the future siRNA technology could be used in heart surgery in vivo. siRNA can protect the heart muscle tissue form inflammatory reaction. For this application the siRNA could be injected with the cardioplegic solution, knock down the ICAM1 expression and prevent heart failure.