Ein möglicher Weg zur Neubildung von Kapillaren erfolgt durch die sogenannte Angiogenese, die die Bildung von neuen Blutgefäßen durch Teilung oder Aussprossung von bereits vorhandenen Blutgefäßen beschreibt.
Mittlerweile konnte jedoch nachgewiesen werden, dass auch im bereits adulten Organismus neue Blutgefäße durch Vaskulogenese, einem Prozess bei dem Blutgefäße durch endotheliale Stammzellen neu gebildet werden. In dem meisten Fällen erfolgt das Wachstum von Gefäßen im menschlichen Körper jedoch durch eine Kombination aus Angiogenese und (postnataler) Vaskulogenese, bei der im Blutstrom zirkulierende endotheliale Progenitorzellen (EPCs) eine entscheidende Rolle spielen.
Diese 1997 durch eine Forschungsgruppe um ASAHARA et al. beschriebenen Vorläuferzellen haben die Fähigkeit zum postnatalen Gefäßwachstum und zur Reparatur beschädigter Gefäße beitragen zu können.
Innerhalb der Stammzellnische des Knochenmarks verharren die EPCs gebunden an Adhäsionsmoleküle, bis sie durch entsprechende Stimuli, wie beispielsweise durch akute Verletzungen, Gewebsischämie, Tumorangiogenese oder Myokardinfarkt, aktiviert werden und zu den Regionen unterversorgten Gewebes migrieren und proliferieren, wobei sich die Anzahl der EPCs im peripheren Blut um das 50-fache erhöhen kann.
Somit stellen Ischämie und Hypoxie die potentesten physiologischen Stimuli dar, die zu einer Freisetzung von Wachstumsfaktoren und somit zu einer Erhöhung der EPCs im Organismus führen.
Die Auswirkungen der Kombination eines Trainingsreizes in Form eines bis zur Ausbelastung durchgeführten Stufentests, gekoppelt mit einem entsprechend potenten Hypoxiereiz auf die endothelialen Progenitorzellen, wurde bis dato jedoch nur im Hinblick auf die nach einer entsprechenden Belastung vorhandene Gesamtzahl zirkulierender EPCs hin untersucht.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll daher nun die Frage geklärt werden, welche Auswirkungen ein Trainingsreiz in Form eines bis zur subjektiven Ausbelastung ausgeführten VO2max-Stufentests unter hypoxischen Bedingungen (4000m Höhenexposition, Höhenkammer) auf die Seneszenz-, Proliferations- und Apoptoserate endothelialer Progenitorzellen hat.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Aktueller Stand der Forschung
2.1 Mechanismen des Gefäßwachstums
2.1.1 Vaskulogenese
2.1.2 Angiogenese
2.2 Stammzellen und Vorläuferzellen
2.3 Endotheliale Progenitorzellen (EPCs)
2.3.1 Die Relevanz hämatopoietischer Stammzellen als Quelle für EPCs
2.3.2 Die Relevanz von Monozyten und Makrophagen als Quelle von EPCs
2.3.3 Die Relevanz mesenchymaler Stammzellen (MAPCs) als Quelle von EPCs
2.3.4 Myoendotheliale Vorläuferzellen
2.3.5 Zirkulierende endotheliale Zellen (CECs)
2.3.6 Differenzierung zwischen „frühen“ und „späten“ EPCs
2.3.7 Mobilisierung endothelialer Progenitorzellen
2.3.8 Zielsteuerung endothelialer Progenitorzellen
2.4 Effekte von Training auf endotheliale Progenitorzellen
2.4.1 Höhentraining
3. Material und Methoden
3.1 Höhenstudie
3.1.1 Studiendesign
3.1.2 Höhenkammer
3.1.3 ELISA
3.1.3 Ergebnis der Höhenstudie
3.2 Analytik
3.2.1 Chemikalien und Materialien
3.2.2 Isolation von EPCs
3.2.3 Inkubation der isolierten EPCs mit Serum der Höhenstudie
3.2.4 β-Galactosidase-Färbung
3.2.5 Immunohistochemie
3.3 Statistische Methodik
4. Ergebnisse
4.1 β-Galactosidase-Färbung
4.2 Immunohistochemie
4.2.1 Anti-Ki67 Antikörperfärbung
4.2.2 Anti-Caspase-3 Antikörperfärbung
5. Diskussion
5.1 EPCs und Training
5.2 Zellkultur
5.3 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht, welche Auswirkungen ein einmaliger, bis zur subjektiven Ausbelastung durchgeführter VO2max-Stufentest unter normobarer Hypoxieexposition (4000m) auf die Seneszenz-, Proliferations- und Apoptoserate endothelialer Progenitorzellen (EPCs) hat. Dabei wird analysiert, wie sich das Serum der Probanden nach dieser spezifischen Belastung auf die ex vivo kultivierten EPCs auswirkt.
- Mechanismen des Gefäßwachstums (Vaskulogenese und Angiogenese)
- Biologie und Differenzierung endothelialer Progenitorzellen (EPCs)
- Einfluss von körperlicher Belastung und Hypoxie auf die Zellfunktion
- Methodik zur ex vivo Isolation und Inkubation von EPCs
- Analyse der zellulären Seneszenz, Proliferation und Apoptose
Auszug aus dem Buch
2.3.7 Mobilisierung endothelialer Progenitorzellen
Die Mehrheit der EPCs befindet sich innerhalb der sogenannten „Stammzellnische“ des Knochenmarks [LUTTUN 2002]. Es handelt sich bei dieser bereits im Kapitel 2.2 erwähnten „Nische“ um eine aus Fibroblasten, Osteoblasten und endothelialen Zellen bestehende Mikroumgebung innerhalb des Knochenmarks, die für die Homöostase und Mobilisierung von adulten Knochenmarks-Stamm- und Vorläuferzellen verantwortlich ist und gleichzeitig deren größtes Reservoir im Organismus darstellt [CALVI 2003; ZHANG 2003]. Hier verharren die Stammzellen, gebunden an Bindegewebszellen des Knochenmarks, in der G0-Phase des Zellzyklus [HEISSIG 2002].
Damit die Stammzellen ihre „Nische“ im Knochenmark verlassen können, müssen zunächst diese Bindungen durch einen adäquaten Stimulus gelöst werden, wodurch es den Zellen ermöglicht wird das Knochenmark zu verlassen, durch das sinusoidale Endothel in den Blutkreislauf zu diffundieren und sich dort, auf einen entsprechenden weiteren Stimulus hin, zu EPCs auszudifferenzieren [AICHER 2005].
Endergone Stimuli, wie beispielsweise Gewebsischämie, haben, ebenso wie exergone Zytokintherapie, ihre Fähigkeit zur EPC-Mobilisierung in mehreren Studien demonstriert. So führte ein lokaler Ischämiereiz sowohl bei Kaninchen als auch bei Mäusen zu einem Anstieg der Zahl zirkulierender EPCs [TAKAHASHI 1999]. Ebenso konnte eine Mobilisation von EPCs bei Patienten mit vaskulärem Trauma oder akutem Myokardinfarkt nachgewiesen werden [GILL 2001; MASSA 2005; SHINTANI 2001]. Körperliches Training als potenter Stimulus führt ebenfalls zu einer Mobilisierung von EPCs [ADAMS 2004; LAUFS 2004; REHMANN 2004; SANDRI 2005; VAN CRAENENBROECK 2008; WAHL 2007].
HEISSIG et al. konnten 2002 zeigen, dass die Aktivierung von Matrix Metalloproteinase-9 (MMP-9) der initiale Schritt im komplexen Prozess der Mobilisierung von Stammzellen aus dem Knochenmark ist [HEISSIG 2002]. Hierbei wird die Transformation von mKitL (membrande-bound Kit ligand), einem membrangebundenem Stammzellfaktor, zu gelöstem sKitL (soluble Kit ligand) durch die MMPs enzymatisch katalysiert, wodurch die Adhäsion der Stammzellen zu den Stroma-Zellen innerhalb des Knochenmarks gelöst wird, um somit die Voraussetzung zur Mobilisierung dieser Zellen zu schaffen [HRISTOV 2003; VAN HINSBERGH 2008]. MMPs fördern außerdem die Freiesetzung zelloberflächengebundenen Zytokinen wie VEGF [VU 2000].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die physiologische Bedeutung der Gefäßversorgung durch Angiogenese und Vaskulogenese und führt in die wissenschaftliche Fragestellung der Arbeit ein.
2. Aktueller Stand der Forschung: Gibt einen umfassenden Überblick über Mechanismen des Gefäßwachstums, die Biologie von Stammzellen sowie die spezifischen Eigenschaften und Mobilisierungsprozesse endothelialer Progenitorzellen.
3. Material und Methoden: Detailliert das Design der Höhenstudie, die Probandenauswahl, die Gewinnung von Serumproben sowie die technischen Verfahren zur Zellkultur, Färbung und statistischen Auswertung.
4. Ergebnisse: Präsentiert die gewonnenen Daten zur Zellseneszenz, Proliferation und Apoptose der EPCs in Abhängigkeit von den verschiedenen Serumkonditionen der Probanden.
5. Diskussion: Interpretiert die Ergebnisse im Kontext aktueller wissenschaftlicher Erkenntnisse und diskutiert insbesondere den Einfluss von Trainingsbelastung, Hypoxie und der verwendeten Zellkulturmedien.
Schlüsselwörter
Endotheliale Progenitorzellen, EPCs, Angiogenese, Vaskulogenese, Stammzellen, Höhentraining, Hypoxie, Zellseneszenz, Zellproliferation, Apoptose, VEGF, Knochenmark, Zellkultur, Immunhistochemie, Signalwege
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht den Einfluss von sportlicher Belastung unter hypoxischen Bedingungen auf die Funktionsweise und Qualität endothelialer Progenitorzellen (EPCs).
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Mechanismen des Gefäßwachstums, die Biologie von Stammzellen und der Einfluss von Trainingsreizen auf endotheliale Zellen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist zu klären, ob ein intensiver Stufentest unter 4000m Höhenbedingungen die Seneszenz, Proliferation und Apoptose von EPCs beeinflusst.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine ex vivo Zellkulturmethode verwendet, bei der EPCs mit Serum von Sportlern inkubiert und mittels β-Galactosidase-Färbung und Immunhistochemie analysiert werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit dem aktuellen Forschungsstand zur Angiogenese, der Mobilisierung von Stammzellen und der methodischen Durchführung der Höhenstudie.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe umfassen EPCs, Angiogenese, Höhentraining, Zellseneszenz, Proliferation, Apoptose und Signalproteine wie VEGF.
Welchen Einfluss hat das Zellkulturmedium auf die Ergebnisse?
Die Arbeit zeigt, dass die Verwendung von fötalem Kälberserum (FCS) im Vergleich zu Humanserum zu signifikant schlechteren Ergebnissen bezüglich Seneszenz und Zellvitalität führt.
Was sind die wichtigsten Erkenntnisse der Höhenstudie?
Die Studie zeigt, dass eine Inkubation mit Serum nach Belastung einen positiven Effekt auf die Seneszenzrate hat, jedoch keine signifikanten Änderungen der Proliferations- oder Apoptoserate der EPCs induziert.
- Citation du texte
- Dennis Nebe (Auteur), 2008, Auswirkungen eines bis zur Ausbelastung ausgeführten VO2max-Stufentests unter normobarer Hypoxie auf endotheliale Progenitorzellen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/379829
