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Kardiotoxizität weltraumrelevanter Schwerionenstrahlung: In vitro Effekte auf Funktion und Pathophysiologie von Kardiomyozyten

Smit, Timo Eric (2022)
Kardiotoxizität weltraumrelevanter Schwerionenstrahlung: In vitro Effekte auf Funktion und Pathophysiologie von Kardiomyozyten.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00020924
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Kardiotoxizität weltraumrelevanter Schwerionenstrahlung: In vitro Effekte auf Funktion und Pathophysiologie von Kardiomyozyten
Language: German
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco ; Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: V, 98 Seiten
Date of oral examination: 16 May 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00020924
Abstract:

Astronauten sind auf zukünftig geplanten Weltraummissionen (z.B. Transit zum Mars) unausweichlich einer niedrigen, chronischen Dosis ionisierender Strahlung ausgesetzt. Die Effekte auf das Herz und das kardiale Risiko für Astronauten sind weitestgehend unbekannt, zumal sich die Strahlenqualität im Weltraum stark von der terrestrischen unterscheidet. Während Zellen der Blutgefäße eine initiale Rolle bei der Entstehung kardiovaskulärer Krankheiten nach Radiotherapie zugesagt wird, sind Daten über die Funktion von Herzmuskelzellen in diesem Zusammenhang rar. Stammzellgenerierte Kardiomyozyten bieten eine vielversprechende Möglichkeit, um zelluläre Antworten auf unterschiedliche Strahlenqualitäten zu untersuchen. Die Übertragbarkeit auf erwachsene Menschen ist aber aufgrund ihres typischerweise unreifen und fetalen Zellstatus fraglich. In der vorliegenden Arbeit wurden humane, stammzellgenerierte Kardiomyozyten in 3D-Kultur durch Langzeitkultivierung ausgereift. Zum Zeitpunkt maximaler Zellreife wurden diese für Strahlenexperimente mit Röntgenstrahlung oder weltraumrelevanter 56Fe-Strahlung (1 GeV/n) eingesetzt. Das Modell wurde hinsichtlich der Zellkomposition, Struktur und Expression kardialer Proteine charakterisiert. Funktionale, videobasierte Messungen (0,1 – 2 Gy), sowie Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen (2 Gy) wurden bis zu einen Monat nach einer Strahlenexposition analysiert und mit Änderungen im Proteom und Transkriptom verknüpft. Der Zeitpunkt maximaler Reife wurde 100 Tage nach Start der Differenzierung erreicht, wobei Zellen organisierte und anisotrope Sarkomerstrukturen aufwiesen. Elektrophysiologische Messungen identifizierten alle Haupttypen von Kardiomyozyten (atriale und ventrikuläre Zellen, sowie Zellen des Sinus-/Atrioventrikularknotens) innerhalb des selbstorganisierenden Clusters. Die Videoanalyse zeigte, dass Röntgen- und 56Fe-Strahlung sich nur geringfügig auf die Schlagrate und Rhythmizität auswirkte, wobei Effekte sich zum Teil zwischen den Strahlenqualitäten unterschieden. Kardiomyozyten kam durch exzessive Interleukinsekretion nach 56Fe-Strahlung eine mögliche Rolle in einer initialen Entzündungsreaktion zu, nicht aber nach Röntgenstrahlung. Änderungen im Proteom deuteten auf einen strukturellen Umbau und einen Verlust von kontraktilen Proteinen als Folge von Röntgenexposition hin. Eine Validierung auf der mRNA-Ebene ausgewählter Gene wies darauf hin, dass Hoch- und Niedrig-LET Strahlung möglicherweise unterschiedliche Mechanismen in Kardiomyozyten auslösten. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit ein Kardiomyozytenmodell entwickelt werden, welches eine hohe Zellreife aufweist und für Strahlenexperimente geeignet ist. Die Verknüpfung von pathophysiologischen Mechanismen mit der Funktion der organotypischen Kultur zeichnet ein umfassendes Bild über zelluläre Antworten ab. Durch eine Vorselektion von pathophysiologischen Markern können die Ergebnisse neben Risikobewertungen von Astronauten auch zum besseren Verständnis von kardialen Folgen einer Radiotherapie beitragen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Astronauts will inevitably be exposed to low doses of ionizing radiation on future planned space missions (e.g. transit to Mars). The effects on the heart and cardiac risk for astronauts are largely unknown, especially since radiation quality in space is very different from the terrestrial. While cells of the vasculature are thought to play an initial role in the development of cardiovascular disease after radiotherapy, data on cardiomyocytes in this context is scarce. Stem cell-generated cardiomyocytes offer a promising opportunity to study cellular responses to different radiation qualities. However, transferability to adult humans is questionable because of their typically immature and fetal cell status. In the present work, human stem cell-generated cardiomyocytes were matured in 3D culture by long-term cultivation. At the time of maximal cell maturation, these were used for radiation experiments with X-rays or space-relevant 56Fe radiation (1 GeV/n). The model was characterized for cell composition, structure, and expression of cardiac proteins. Functional video-based measurements (0.1 – 2 Gy), as well as secretion of proinflammatory cytokines (2 Gy) were analyzed up to one month after exposure and linked to changes in the proteome and transcriptome. The point of maximum maturation was reached 100 days after the start of differentiation, when cells exhibited organized and anisotropic sarcomere structures. Electrophysiological recordings identified all major cardiomyocyte types (atrial, ventricular, and sinus-/ atrioventricular node cells) within the self-organizing cluster. Video analyses showed that X-rays and 56Fe radiation had subtle influence on beat rate and rhythmicity, with effects differing to some extent between radiation qualities. Cardiomyocytes had a potential role in an initial inflammatory response by excessive interleukin secretion after 56Fe radiation, but not after X-rays. Proteomic changes indicated structural remodeling and loss of contractile proteins as a result of the X-ray exposure. Validation on mRNA level of selected genes indicated that high- and low-LET radiation might trigger different mechanisms in cardiomyocytes. In summary, this work established a cardiomyocyte model that exhibits high cell maturity and is suitable for radiation experiments. Linking pathophysiological mechanisms and function in organotypic cell culture draws a broad picture of cellular responses. By preselecting of pathophysiological markers, the results may contribute, in addition to risk assessments of astronauts, to a better understanding of cardiac sequela after radiotherapy as well.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-209243
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
500 Science and mathematics > 570 Life sciences, biology
600 Technology, medicine, applied sciences > 610 Medicine and health
Divisions: 10 Department of Biology > Stem Cell and Developmental Biology
10 Department of Biology > Systems Biology of the Stress Response
10 Department of Biology > Radiation Biology and DNA Repair
Date Deposited: 15 Jun 2022 07:02
Last Modified: 19 Aug 2022 07:46
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20924
PPN: 496563408
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