Gollasch, Maik: Untersuchungen zu Kalzium- und Kaliumkanälen in humanen arteriellen Gefäßmuskelzellen

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Kapitel 1. Einleitung und Problemstellung

Die kontraktile Kraft des arteriellen Gefäßmuskels wird wesentlich durch die globale intrazelluläre Ca2+-Konzentration reguliert (Hathaway et al., 1991). Während Hormon-induzierte transiente Kontraktionen des Gefäßmuskels hauptsächlich durch die Freisetzung von Ca2+ aus intrazellulären Speichern durch Inositoltriphosphat (IP3) und wahrscheinlich auch durch Ca2+ selbst reguliert werden (Somlyo et al., 1985; Hashimoto et al., 1986), hängt die anhaltende (d.h. tonische) Kontraktion der Gefäßmuskulatur maßgeblich von der Balance zwischen dem Ca2+-Einstrom ins Zellinnere und der Ca2+-Extrusion ab (siehe z.B. Hayashi et al., 1989, Nelson et al., 1990a). Mögliche membranäre Strukturen für den Ca2+-Einstrom stellen spannungsabhängige Kalziumkanäle, rezeptoroperierte Ca2+-permeable Kationenkanäle (ROCs) und der Na+/Ca2+-Austauscher dar. Ca2+ wird aus der glatten Muskelzelle durch die plasmalemmale Ca2+-ATPase und den Na+/Ca2+-Austauscher transportiert (Van Breemen und Saida, 1989). Zwei Gruppen spannungsabhängiger Kalziumkanäle wurden bislang im animalischen arteriellen Gefäßmuskel identifiziert: (1) L-Typ- und (2) T-Typ-Kalziumkanäle (Daut et al., 1994). Der L-Typ-Kalziumkanal fungiert in den meisten Gefäßmuskelzellen als Hauptroute für den Ca2+-Einstrom. Allerdings ist über das Vorkommen unterschiedlicher Typen von spannungsabhängigen Kalziumkanälen in humanen arteriellen Gefäßmuskelzellen, die Eigenschaften der Kanäle in Lösungen mit physiologischen Ca2+--Konzentrationen, die Regulation der Kanäle durch vasoaktive Hormone, G-Proteine und sekundäre Botenstoffe sowie die differentielle Expression und das Verhalten der Kanäle unter physiologischen und pathologischen Bedingungen in der Gefäßwand wenig bekannt.

Ein wesentlicher Faktor der Regulation des arteriellen Gefäßtonus (und Durchmessers) ist das Membranpotenzial (Nelson et al., 1990a; Daut et al., 1994). Es reguliert die Muskelkontraktion hauptsächlich über Veränderungen des Ca2+-Einstroms durch spannungsabhängige Kalziumkanäle. Das Membranpotenzial könnte den Ca2+-Einstrom aber auch über den Na+/Ca2+-Austauscher regulieren oder die intrazelluläre Ca2+-Freisetzung über die Spannungsabhängigkeit der Inositoltriphosphat-Produktion beeinflussen (Nelson et al., 1990a; Itoh et al., 1992; Ganitkevich und Isenberg, 1993). Der Ca2+-Einstrom durch spannungsabhängige Kalziumkanäle hängt vom Membranpotenzial ab. Eine


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Membrandepolarisation erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit spannungsabhängiger Kalziumkanäle. Diese Erhöhung führt zu einem vergrößerten Ca2+-Einstrom, zum Anstieg der globalen intrazellulären Ca2+-Konzentration und folglich zur Vasokonstriktion. Eine Hyperpolarisation dagegen verringert den Ca2+-Einstrom, das Gefäß dilatiert (Nelson und Quayle, 1995). Kaliumkanäle und Membranpotenzial beeinflussen sich gegenseitig. So werden verschiedene Kaliumkanäle durch eine Depolarisation der Gefäßmuskelzellen (hervorgerufen z.B. durch Ca2+-Einstrom) geöffnet. Der dadurch induzierte auswärts gerichtete K+-Strom „bremst“ die Depolarisation und demzufolge die Vasokonstriktion. Die Blockade von Kaliumkanälen kann deshalb zur verstärkten Membrandepolarisation und Vasokonstriktion intakter Arterien führen (siehe z.B. Nelson und Quayle, 1995; Brayden und Nelson, 1992). Die Veränderung der Funktion der glattmuskulären Kalium- und spannungsabhängigen Kalziumkanäle kann somit in pathologische Zustände der Gefäßmuskulatur, wie Vasospasmus, Bluthochdruck, Ischämie u.a., einbezogen sein (Daut et al., 1994, Quayle et al., 1997).

Vaskuläre K+-Kanäle sind Zielstrukturen gefäßaktiver Hormone und Pharmaka. Synthetische Vasodilatatoren, wie Pinacidil, Cromakalim und Minoxidil, stimulieren Kaliumkanäle. Endogene Vasodilatatoren, wie beispielsweise Adenosin und "calcitonin-gene related peptide" (CGRP), öffnen Kaliumkanäle in nicht humanen arteriellen Gefäßmuskelzellen (Nelson et al., 1990b; Nelson und Quayle, 1995; Quayle et al., 1997)

Vier Gruppen von Kaliumkanälen wurden bisher in animalischen arteriellen Gefäßmuskelzellen identifiziert: (1) spannungsabhängige K+ (KV)-Kanäle, (2) Ca2+-aktivierte K+ (KCa)-Kanäle, (3) ATP-abhängige K+-Kanäle und (4) einwärts gerichtete K+(Kir)-Kanäle (Abb. 2). Die Gruppen (1), (2) und (4) sind spannungsabhängige Kaliumkanäle (Nelson und Quayle, 1995).

Über das Vorkommen unterschiedlicher Typen von Kaliumkanälen in humanen arteriellen Gefäßmuskelzellen, die Regulation der Kanäle durch Pharmaka, endogene Vasodilatatoren und lokale Ca2+-Freisetzungssignale des sarkoplasmatischen Retikulums (Ca2+-Sparks, „Ca2+-Quarks“) sowie deren Bedeutung für die kontraktile Gefäßfunktion ist wenig bekannt.


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Die vorliegende Habilitationsschrift befasst sich mit folgenden Problemstellungen:

  1. der Identifizierung unterschiedlicher Typen von spannungsabhängigen L-Typ-Kalziumkanälen in Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien,
  2. den Permeationseigenschaften von L-Typ-Kanälen und der Rolle der alpha1-Untereinheit bei der Permeation,
  3. der Regulation von L-Typ-Kalziumkanälen der C-Klasse durch Gi-Proteine und Proteinkinase C,
  4. der differentiellen Expression von L-Typ-Kanälen in Gefäßmuskelzellen,
  5. der Identifizierung und Charakterisierung unterschiedlicher Typen von Kaliumkanälen in humanen koronararteriellen Gefäßmuskelzellen,
  6. der Modulation von KATP- und KCa-Kanälen in Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien durch vasoaktive Wirkstoffe,
  7. den Eigenschaften von Ca2+-Sparks in Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien und
  8. der Bedeutung von KCa-Kanälen, die durch Ca2+-Sparks reguliert werden.

Die eigenen Forschungsergebnisse zu diesen Teilthemen stelle ich in Form einer Monographie mit Originalarbeiten vor. Die Bedeutung der Ergebnisse diskutiere ich in Übersichtsarbeiten, die ich zu den Themen, teilweise mit der Unterstützung anderer Autoren, verfasst habe. Der deutschsprachige Text ist auf der Grundlage der neuen amtlichen Rechtschreibregeln geschrieben.


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Mon Sep 16 11:29:18 2002