Antifibrotischer Einfluss von Granulozyten-Kolonie-stimulierendem Faktor auf myokardiale Zellen in-vitro

Eine Aortenstenose verursacht eine linksventrikuläre myokardiale Hypertrophie sowie eine Fibrose des Herzmuskels. Diese sind trotz der Behandlung durch einen Aortenklappenersatz oft nicht vollständig reversibel. Besonders das Auftreten einer myokardialen Fibrose führt zu einer eingeschränkten Herzleistung und erhöht die Mortalität.
Aus dieser Arbeit vorangegangenen Experimenten ist bekannt, dass die Gabe von G-CSF einen positiven Einfluss auf den kardialen Remodelingprozess nach Druckentlastung hat. G-CSF ist ein hämatopoetisches Zytokin, das die Proliferation, die Differenzierung und das Überleben von hämatopoetischen Vorläuferzellen aus dem Knochenmark reguliert. Zunächst wurde deshalb angenommen, dass G-CSF aufgrund seiner stammzellmobilisierenden und -proliferierenden Eigenschaften mithilfe von Stammzellmobilisation und -einbau in den Herzmuskel wirkt. Dies konnte nicht nachgewiesen werden. Bei In-vivo-Experimenten wurde ein Rückgang der myokardialen Fibrose sowie eine erhöhte Anzahl neutrophiler Granulozyten nach G-CSF-Gabe beobachtet. Ebenso zeigte sich eine gesteigerte Genexpression von MMP-2 und MMP-9 sowie IL-1ß. MMP-2 und MMP-9 sind proteolytische Enzyme, die in der Lage sind, Kollagene zu spalten und somit einer Fibrose entgegenzuwirken. IL-1ß ist ein proinflammatorisches Zytokin, das bei Entzündungsreaktionen von verschiedenen Zellen - besonders von Makrophagen - sezerniert wird.
In dieser Arbeit wurde die Wirkungsweise von G-CSF mithilfe von Zellkulturexperimenten in-vitro untersucht.
Zunächst wurde eine direkte Wirkung von G-CSF auf Kardiomyozyten, KF oder neutrophile Granulozyten vermutet. Sowohl MMP-2 als auch MMP-9 zeigten sich nicht signifikant verändert nach direkter Inkubation der Zellen mit G-CSF. Im Gegensatz dazu war IL-1ß nach Inkubation von G-CSF mit neutrophilen Granulozyten signifikant erhöht auf mRNA-Ebene messbar. Nach Inkubation von KF mit IL-1ß konnte außerdem ein signifikanter Anstieg von MMP-2 und MMP-9 auf mRNA-Ebene verzeichnet werden. Somit lässt sich der Rückgang der in-vitro beobachteten myokardialen Fibrose erklären. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die positive Wirkungsweise von G-CSF bei myokardialer Fibrose wie sie zum Beispiel im Rahmen einer Aortenstenose auftritt, auf eine gesteigerte IL-1ß-Synthese der neutrophilen Granulozyten zurückgeführt werden kann. Das hierdurch freigesetzte IL-1ß führt bei KF zu einer vermehrten Produktion von MMP-2 und MMP-9, welche Kollagene spalten. Damit können sie einer durch eine Aortenstenose entstandenen myokardialen Fibrose entgegenwirken.
 
Aortic stenosis causes cardiac hypertrophy and fibrosis. The changes often persist despite pressure unloading after aortic valve replacement. The appearance of myocardial fibrosis in particular leads to impaired cardiac function and increased mortality.
Owing to previous observations it is well known, that the administration of G-CSF leads to an improvement of cardiac remodeling after pressure unloading. G-CSF is an hematopoietic cytokine which regulates the differentiation and survival of hematopoietic precursor cells from the bone marrow.
Initially, it was thought that G-CSF acts by virtue of ist stem cell mobilizing and proliferating properties through stem cell mobilization and incorporation into the heart muscle. This could not be proved. In vivo experiments showed a decrease in myocardial fibrosis as well as an increased number of neutrophilic granulocytes after administration of G-CSF. Also, an increase in gene expression of MMP-2 and MMP-9 and IL-1ß could be seen. MMP-2 and MMP-9 are proteolytic enzymes that are able to cleave collagens and thus counteract fibrosis. IL-1ß is a proinflammatory cytokine which is secreted in inflammatory reactions of various cells, especially macrophages.
In this work, the mode of action of G-CSF was investigated in vitro using cell culture experiments.
Initially, a direct effect of G-CSF on cardiomyocytes, cardiac fibroblasts or neutrophilic granulocytes was suspected. Both MMP-2 and MMP-9 did not change significantly after direct incubation oft he cells with G-CSF. Unlike IL-1ß, which was significantly increased at mRNA level after incubation of G-CSF with neutrophilic granulocytes. Furthermore, after incubation of cardiac fibroblasts with IL-1ß, a significant increase in MMP-2 and MMP-9 at mRNA level was observed, thus explaining the decline in myocardial fibrosis observed in vitro. These observations suggest that the positive mode of action of G-CSF in myocardial fibrosis, for example in the context of aortic stenosis, may be due to an increased IL-1ß synthesis oft he neutrophilic granulocytes. The thus released IL-1ß leads in cardiac fibroblasts to increased production of MMP-2 and MMP-9 which cleave collagens and counteract a myocardial fibrosis resulting from aortic stenosis.