Rolle von Connexinen und CA2+-abhängigen K+-Kanälen bei der Regulation der mikrovaskulären Durchblutung
Final Report Abstract
Die Durchblutung der Organe ist nicht konstant, sondern wird dem aktuellen Bedarf jeweils angepaßt. Besonders ausgeprägt sind Durchblutungssteigerungen im Skeletmuskel bei Arbeit, die durch eine Durchmesseränderung in den kleinen versorgenden Arteriolen erreicht werden. Hierbei spielt die innerste Zellschicht der Gefäße, das Endothel, eine entscheidende Rolle. Wir haben in dem Projekt zeigen können, daß Ca2+-abhängige K+-Kanäle (KCa) entscheidend beteiligt sind, indem durch ihre Aktivierung eine Verschiebung des Membranpotentials im Endothel zu negativeren Werten (Hyperpolarisation) erzeugt wird, die dann letztlich in eine Dilatation mündet. Weiterhin trägt diese endotheliale Hyperpolarisation wesentlich zur Koordination des zellulären Verhaltens entlang des Gefäßes bei, denn ein dilatatierendes Signal (wahrscheinlich das Membranpotential selbst) breitet sich über interzelluläre Kanäle (Gap Junctions), die aus Connexinen bestehen, aus. Die beiden im Endothel exprimierten KCa-Kanäle (IK1 und SK3) werden offenbar durch unterschiedliche Mechanismen aktiviert, die dann aber über die ausgelöste Hyperpolarisation in einer gemeinsamen Endstrecke, der glattmuskulären Erschlaffung und damit Dilatation der Arteriole, münden. Während der SK3-Kanal für eine intakte, durch die Kontraktion des Skeletmuskels ausgelöste Dilatation (funktionelle Hyperämie) unabdingbar ist, ist die Anwesenheit des IK1-Kanals notwendig, um eine endotheliale Hyperpolarisation und eine Dilatation nach Stimulation mit einem Agonisten (Acetylcholin) zu erreichen. In beiden Fällen führt die Veränderung des Membranpotentials im Endothel zu einer aufsteigenden Dilatation. Wir konnten nun auch zeigen, daß Connexin40 bei der funktionellen Hyperämie beteiligt ist. Dies hatten wir früher schon für die durch Agonisten ausgelöste aufsteigende Dilatation gezeigt, was zusammen die funktionelle Relevanz des Endothels bei der Koordination des Gefäßverhaltens betont. Der IK1-Kanal ist partiell notwendig, um eine große Strecke bei dieser aufsteigenden Dilatation zu überbrücken, denn sein Fehlen läßt die Dilatationsamplitude mit zunehmender Entfernung stärker abnehmen. Andererseits ist seine Aktivierung hinreichend, um eine aufsteigende Dilatation auszulösen. Eine weitere entscheidende Frage ist und bleibt, wie die endotheliale Hyperpolarisation eine Dilatation auslöst (EDHF-Typ Dilatation). Hierzu konnten wir durch die Untersuchung eines Gefäßes in vivo und in vitro zeigen, daß zwei distinkte Mechanismen beteiligt sind: 1. Ein potenter EDHF-Typ Mechanismus, der unabhängig von Connexin40 ist und bei der Untersuchung unter isometrischen Bedingungen verloren geht. 2. Ein weiterer weniger effektiver Mechanismus, der von Connexin40 abhängig ist, und auch bei isometrischer Untersuchung nachweisbar bleibt. Dieser zweite könnte also der in jüngster Zeit oft beschriebenen myoendothelialen Kopplung zugrundeliegen, steht aber physiologisch nicht im Vordergrund. Unsere Daten sprechen dafür, daß tatsächlich ein EDHF vom Endothel gebildet wird, der die Übertragung der Hyperpolarisation gewährleistet. Was dieser EDHFist, muß aber noch offen bleiben. Weiterhin haben wir durch die Entwicklung von zeelspezifischem Verlust von Connexin40 seine Funktion in verschiedenen Zelltypen einem klaren, relativ eindeutigem Phänotyp zuordnen können. Cx40 in Renin-produzierenden Zellen ist relevant, um die Reninbildung an den Druck anzupassen (negativer Feedback), während Cx40 im Endothel die Koordination des Gefäßverhaltens sichert. Weder führt der Verlust von Cx40 im Endothel zu einem deutlichen Hypertonus, noch führt der Hypertonus zu einem Verlust der endothelialen Kommunikation. Einige, aber nicht alle Cx40 Funktionen können von einem anderen Connexin mit anderen Eigenschaften (Cx45) ersetzt werden.
Publications
- Prominent role of KCa3.1 in endothelium-derived hyperpolarizing factor-type dilations and conducted responses in the microcirculation in vivo. Cardiovasc Res 82: 476-483
Wölfle SE, Schmidt VJ, Hoyer J, Köhler R, de Wit C
- (2010). Amplification of EDHF-type vasodilatations in TRPCl-deficient mice. Br J Pharmacol 161, 1722-1733
Schmidt K, Dubrovska G, Nielsen G, Fesüs G, UhrenhokTR, Lasrkegaard-Hansen P, Gudermann T, Dietrich A, Gollasch M, de Wit C, Köhler R
- (2010). Crucial imponance of the endothelial K+-channel SK3 and connexin40 in arteriolar dilations during skeletal muscle contraction. FASEB J 24,3572-3579
Milkau M, Köhler R, de Wit C
- (2010). Different pathways with distinct propenies conduct dilations in the microcirculation in vivo. Cardiovasc Res 85, 604-613
de Wit C
- (2010). Selective deletion of connexin40 in renin-producing cells impairs renal baroreceptor function and is associated with anerial hypenension. Kidney Int 78,762-768
Wagner C, Jobs A, Schweda F, Kurtz L, Kurt B, Sequeira-Lopez M, Gomez R, van Veen TAB, de Wit C, Kunz A
- (2010). Semiautomatic quantification of angiogenesis. J Surg Res 162: 132-139
BoettcherM, Gloe T, de Wit C
- (2011). Distinct EDHFs emerge in vitro and in vivo and are mediated in part via connexin40-dependent myoendothelial coupling. Hypertension 57: 802-808
Boettcher M, de Wit C
- (2012). Connexin45 is expressed in vascular smooth muscle but its function remains elusive. PLoS One7:e42287
Schmidt VJ, Jobs A, von Maltzahn J, Wörsdörfer P, Willecke K, de Wit C
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0042287) - (2012). Defective Cx40 maintains Cx37 expression but intact Cx40 is crucial for conducted dilations irrespective of hypenension. Hypertension 60: 1422-1429
Jobs A, Schmidt K, Schmidt VJ, Lübkemeier I, van Veen TAB, Kunz A, Willecke K, de Wit C
(See online at https://doi.org/10.1161/HYPERTENSIONAHA.112.201194) - (2013). Activation of KCa3.1 by SKA-31 induces arteriolar dilation and lowers blood pressure in normo- and hypertensive connexin40-deficient mice. BrJ Pharmacol 170, 293-303
Radtke J, Schmidt K, Wulff H, Köhler R, de Wit C
(See online at https://doi.org/10.1111/bph.12267)
