Die Rolle des mitochondrialen Membranproteins „Uncoupling Protein 2 (UCP-2)“ in der Hypoxie-induzierten pulmonalen Hypertonie

Die Hypoxie-induzierte pulmonale Hypertonie (PH) ist eine schwerwiegende Erkrankung und in ihren pathophysiologischen Zusammenhängen noch unzureichend verstanden. Grundvoraussetzung für die Etablierung wirksamer Therapiestrategien ist die Erforschung der Mechanismen, die zum vaskulären Remodeling - dem charakteristischen, morphologischen Merkmal der PH - führen. Vor diesem Hintergrund konzentrierte sich die vorliegende Arbeit auf die Vorgänge, die das vermehrte Wachstum von glatten Gefäßmuskelzellen der Pulmonalarterien (PASMCs) bedingen und stellte dabei die Rolle des mitochondrialen Membranproteins UCP-2 in der Hypoxie-induzierten PH in den Fokus, da a) gezeigt werden konnte, dass Mäuse mit Ucp2-Defizienz eine spontane, milde PH entwickelten, b) die Expression von Ucp2 in Tiermodellen der PH, insbesondere der Hypoxie-induzierten PH, herunterreguliert war, und c) UCP-2 bei der Regulation des mitochondrialen Membranpotentials (MMP), welches bei der PH erhöht ist, beteiligt ist. Ziel der Arbeit war daher die Identifikation zugrundeliegender Mechanismen bei der durch einen Ucp2-Knockout (Ucp2-/-)-induzierten Hyperproliferation von PASMCs. Hierzu wurden Proliferationsmessungen in Wildtyp (WT)- und Ucp2-/--PASMCs mit und ohne Überexpression von Ucp2, mitochondriale Respirationsmessungen in PASMCs von WT- und Ucp2-/--Mäusen (mPASMCs) sowie eine Methode mit simultaner Messung von Respiration und MMP zur Bestimmung des Protonen-Leak durchgeführt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass Ucp2-Defizienz zu einer erhöhten Proliferation von mPASMCs unter Normoxie im Vergleich zu WT mPASMCs führte. Unter hypoxischen Bedingungen kam es zu einer weiteren Proliferationssteigerung in beiden Gruppen, allerdings ohne signifikanten Unterschied zwischen den Genotypen. Die Überexpression von Ucp2 verminderte die Hypoxie-induzierte Proliferation von mPASMCs beider Gruppen. Bezüglich der Respiration an intakten Zellen beider Gruppen konnte eine erhöhte Atmung der Ucp2-/--mPASMCs unter maximaler Stimulation gemessen werden, chronische Hypoxie führte dagegen unabhängig vom Genotyp zu einer signifikant niedrigeren Respiration verglichen mit normoxischen Bedingungen. Zusätzlich war die pyruvatabhängige Atmung in permeabilisierten Ucp2-/--mPASMCs im Vergleich zu WT-mPASMCs erhöht. Die Messung des Protonen-Leak an permeabilisierten Zellen, als Verhältnis von Respiration zu MMP, erbrachte keinen signifikanten Unterschied zwischen WT- und Ucp2 /- mPASMCs.

Zusammenfassend weisen die genannten Ergebnisse auf eine zentrale Stellung von UCP-2 in der Regulation des Wachstums von PASMCs hin.
Chronische Hypoxie induziert dabei UCP-2-unabhängig eine verminderte Respiration, wobei eine Hypoxie-induzierte Herabregulation von Ucp2 zusätzlich zum vaskulären Remodeling beitragen könnte. Über welchen Mechanismus UCP-2 in die Wachstumsregulation der Zellen eingebunden ist, konnte nicht vollständig geklärt werden, die Regulation des mitochondrialen Substratangebotes könnte aber von wesentlicher Bedeutung sein. UCP-2 scheint somit, über die bei der PH beschriebenen metabolischen Vorgänge (i.S. des „metabolic switch“) hinaus, an proliferativen Signalwegen beteiligt zu sein. Hypoxia-induced pulmonary hypertension (PH) is a severe disease and the pathophysiological context behind is still poorly elucidated. To establish sufficient therapy strategies, it is crucial to understand the underlying mechanisms, which lead to vascular remodeling, which is the main morphologic characteristic of PH. Against this background this thesis focused on processes, leading to increased proliferation of pulmonary artery smooth muscle cells (PASMCs) and especially investigated the role of the mitochondrial Uncoupling protein 2 (UCP-2) in hypoxia-induced PH, because it could be shown that a) Ucp2-deficient mice spontaneously developed mild PH, b) expression of Ucp2 was decreased in animal models of PH especially in hypoxia-induced PH and c) regulation of the mitochondrial membrane potential (MMP), which is increased in PH, is substantially affected by UCP-2. Therefore, the aim of this study was to identify the underlying mechanisms, which lead to hyperproliferation of PASMCs via Ucp2-knockout (Ucp2-/-). For this purpose, measurement of proliferation rate of Wildtype (WT)- and Ucp2-/--PASMCs with and without overexpression of Ucp2, mitochondrial respiration measurement of WT- and Ucp2-/--mice (mPASMCs) and a method, to quantify respiration and MMP simultaneously, to calculate the proton-leak, was performed. It could be demonstrated that Ucp2-deficiency leads to increased proliferation of mPASMCs under normoxia compared to WT-mPASMCs. Proliferation rate further increased under conditions of chronic hypoxia in both groups, however no significant difference between genotypes occurred. Overexpression of Ucp2 was capable to reduce the effect of hypoxia-increased proliferation of mPASMCs in both groups. Respiration measurement in intact cells of both groups showed increased maximal respiratory capacity in Ucp2 /- mPASMCs, but under conditions of chronic hypoxia a significant decrease in respiration compared to normoxia. Additionally, pyruvate-dependent respiration in permeabilized Ucp2-/--mPASMCs was significantly higher compared to WT-mPASMCs. Moreover, no significant difference between WT- and Ucp2-/--mPASMCs could be found in permeabilized cells in proton-leak, which was calculated as the ratio of respiration and MMP.