Role of membrane potential in the regulation of endothelial cell deformability
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Vaskuläres Endothel verfügt, ähnlich wie die Epithelien von Niere und Darm über eine Vielzahl von Ionenkanälen, wobei offensichtlich der epitheliale Natriumkanal (ENaC) eine Schlüsselrolle bei der Regulation der Mechanik der Endothelzellen spielt. Die endotheliale Zellmechanik ist eine wichtige Eigenschaft für die Funktion einer Endothelzelle bzw. für die Physiologie des Blutkreislaufs. Mechanisch steife Endothelzellen lassen sich im Blutstrom nicht ausreichend verformen wodurch die Stickstoffmonoxid (NO)‐Synthese sinkt. Dieser Umstand wirkt sich direkt auf den Tonus der glatten Gefäßmuskulatur aus, wovon Blutdruck und lokale Gewebedurchblutung abhängen. Das Projekt hatte zum Thema, den möglichen Zusammenhang zwischen elektrischer Membranspannung und Zellmechanik zu untersuchen. Mit Hilfe einer Kombination aus Fluoreszenztechniken und nanoskopischen Methoden (Atomic Force Mikroskopie; AFM) wurde der Zusammenhang zwischen Membranpotenzial und Zellsteifigkeit simultan an lebenden Endothelzellen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die elektrische Depolarisation einer Zelle, unabhängig vom jeweiligen experimentellen Manöver und offensichtlich auch unabhängig von Änderungen des Zellvolumens, die mechanische Steifigkeit der Zelle herabsetzt. Allerdings scheint dieses vereinfachte Konzept für die Funktion des ENaC (Depolarisation durch Natriumeinstrom in die Zelle) im vaskulären Endothel nicht zuzutreffen denn eine Überexpression dieses Membranproteins führt zur Zunahme der Zellsteifigkeit. Ursache dieser offensichtlichen Diskrepanz ist wahrscheinlich die elektrisch negativ‐geladene Glycocalyx an der Oberfläche der Endothelzellen. Es wurde nämlich festgestellt dass die die elektrisch‐negativen Oberflächenladungen dieser Grenzschicht verloren gehen sobald die ENaCs in der Plasmamembran auftauchen (inverse Korrelation zwischen den elektrischen Ladungen der Glycocalyx und ENaC). Damit modifiziert sich das bislang vermutete Konzept dahingehend dass nicht allein das durch die Diffusion von Ionen erzeugte Zellpotenzial die Zellmechanik steuert sondern auch die elektrischen „Festladungen“ der Glycocalyx erheblichen Einfluß auf die Zellmechanik und damit auf die endotheliale Zellfunktion nehmen können. Deshalb wird sich unsere weitere Forschung auf die Funktion dieses elektrisch negativ‐geladenen Oberflächenfilms konzentrieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009). Aldosterone receptor sites on plasma membrane of human vascular endothelium detected by a mechanical nanosensor. Pflugers Arch 458: 223‐230
Wildling L, Hinterdorfer P, Kusche‐Vihrog K, Treffner Y, Oberleithner H
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(2009). Potassium softens vascular endothelium and increases nitric oxide release. Proc Natl Acad Sci U S A 106: 2829‐2834
Oberleithner H, Callies C, Kusche‐Vihrog K, Schillers H, Shahin V, Riethmuller C, Macgregor GA, de Wardener HE
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(2009). Simultaneous mechanical stiffness and electrical potential measurements of living vascular endothelial cells using combined atomic force and epifluorescence microscopy. Nanotechnology 20: 175104
Callies C, Schon P, Liashkovich I, Stock C, Kusche‐Vihrog K, Fels J, Strater AS, Oberleithner H
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(2010). Nitric oxide release follows endothelial nanomechanics and not vice versa. Pflugers Arch 460: 915‐923
Fels J, Callies C, Kusche‐Vihrog K, Oberleithner H
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(2011). Membrane potential depolarization decreases the stiffness of vascular endothelial cells. J Cell Sci 124: 1936‐1942
Callies C, Fels J, Liashkovich I, Kliche K, Jeggle P, Kusche‐Vihrog K, Oberleithner H
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(2011). Salt overload damages the glycocalyx sodium barrier of vascular endothelium. Pflugers Arch 462: 519‐528
Oberleithner H, Peters W, Kusche‐Vihrog K, Korte S, Schillers H, Kliche K, Oberleithner K
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(2012). Cortical actin nanodynamics determines nitric oxide release in vascular endothelium. PLoS One 7: e41520
Fels J, Jeggle P, Kusche‐Vihrog K, Oberleithner H
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(2012). Firewall function of the endothelial glycocalyx in the regulation of sodium homeostasis. Pflugers Arch 463: 269‐278
Korte S, Wiesinger A, Straeter AS, Peters W, Oberleithner H, Kusche‐Vihrog K
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(2012). Nanomechanics and sodium permeability of endothelial surface layer modulated by hawthorn extract WS 1442. PLoS One 7: e29972
Peters W, Drueppel V, Kusche‐Vihrog K, Schubert C, Oberleithner H
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(2013). Epithelial sodium channel stiffens the vascular endothelium in vitro and in Liddle mice. Hypertension 61: 1053‐ 1059
Jeggle P, Callies C, Tarjus A, Fassot C, Fels J, Oberleithner H, Jaisser F, Kusche‐Vihrog K
