Vorhofflimmern: Gestörte Kalzium-Kommunikation bringt das Herz aus dem Takt

Eine neue Studie liefert Einblicke, warum Herzmuskelzellen bei Vorhofflimmern aus dem Rhythmus geraten. Eine gestörte Kalzium-Kommunikation zwischen zentralen Zellstrukturen des Herzens könnte dabei ein entscheidender Mechanismus sein.

Ein Forschungsteam der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) des Universitätsklinikums Würzburg (UKW) hat neue Hinweise darauf gefunden, dass eine gestörte Kommunikation zwischen zentralen Zellstrukturen des Herzmuskels entscheidend zur Entstehung von Vorhofflimmern beiträgt.

Die Untersuchung stand unter Leitung von Niels Voigt, Professor für Molekulare Pharmakologie am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der UMG, und Prof. Christoph Maack, Leiter der Abteilung Translationale Forschung am Deutschen Zentrum für Herzinsuffizienz (DZHI) des UKW. Ihre Erkenntnisse wurden jüngst im Fachjournal „Circulation Research“ veröffentlicht.

Gestörte Kopplung zwischen Mitochondrien und sarkoplasmatischem Retikulum

Im Fokus der Forschung standen die Mitochondrien und das sarkoplasmatische Retikulum, in dem das Kalzium gespeichert ist, das bei jedem Herzschlag ausgeschüttet wird. Die Mitochondrien nutzen dieses Kalziumsignal, um Energie zu erzeugen, insbesondere dann, wenn das Herz unter Belastung steht. Normalerweise sind das sarkoplasmatische Retikulum und die Mitochondrien eng gekoppelt: Bei Patienten mit Vorhofflimmern scheint diese Kopplung jedoch gestört zu sein.

Das Forschungsteam konnte zeigen, dass die mitochondriale Kalziumaufnahme bei Vorhofflimmern vermindert ist und die Regeneration wichtiger Energieträger eingeschränkt bleibt. Hochauflösende Mikroskopieaufnahmen belegen außerdem, dass die räumliche Nähe zwischen Sarkoplasmatischem Retikulum und Mitochondrien in erkrankten Zellen verloren geht und damit die Energieversorgung des Herzmuskels aus dem Gleichgewicht gerät.

„Wir vermuten, dass der Verlust an Kalzium-Kommunikation zur elektrischen Instabilität des Herzmuskels beiträgt und damit ein zentraler Mechanismus der Rhythmusstörung ist“, erklären Voigt und Maack.

Cholesterinsenker unterstützt bei Kalziumaufnahme

In ihren Untersuchungen analysierte das Team Herzmuskelproben von Patienten mit und ohne Vorhofflimmern. Neben biochemischen Messungen kamen auch hochauflösende bildgebende Verfahren wie die Elektronentomographie und die STED-Nanoskopie zum Einsatz.

Mit der Elektronentomographie lassen sich Zellstrukturen in dreidimensionaler Ansicht bis auf Nanometer-Ebene darstellen. Mit der Methode konnten die Forschenden die räumliche Nähe zwischen den Mitochondrien und dem sarkoplasmatischen Retikulum exakt vermessen.

Die STED-Nanoskopie (Stimulated Emission Depletion Microscopy) ermöglichte es darüber hinaus, die Feinstruktur der Zellen mit einer deutlich höheren Auflösung als bei herkömmlicher Lichtmikroskopie sichtbar zu machen. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Mitochondrien bei Vorhofflimmern ihre geordnete Struktur verlieren und sich vom sarkoplasmatischen Retikulum ablösen.

Die Arbeitsgruppen prüften, ob sich die gestörte Funktion des Herzens beeinflussen lässt – mit einem überraschenden Befund: Ein bereits zugelassenes cholesterinsenkendes Medikament konnte die Kalziumaufnahme der Mitochondrien in Herzmuskelzellen teilweise wieder normalisieren. Eine Auswertung von Patientendaten ergab zudem, dass Menschen, die dieses Medikament einnahmen, seltener an Vorhofflimmern litten.

„Unsere Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Behandlung von Vorhofflimmern“, so Erstautor Dr. Julius Pronto vom UMG. „Wenn es gelingt, die Mitochondrien gezielt zu stabilisieren und ihre Kalziumaufnahme zu verbessern, könnte das langfristig das Risiko für Herzrhythmusstörungen senken.“

Kalzium im Fokus

Bereits in einer früheren Studie in Zusammenarbeit mit dem UKW konnte die Arbeitsgruppe zeigen, dass Kalzium auch als Marker helfen kann, das Risiko für gefährliche Herzrhythmusstörungen nach Herzoperationen besser vorherzusagen (wir berichteten). Die neue Arbeit geht nun einen Schritt weiter und beleuchtet die grundlegenden zellulären Mechanismen, die solchen Störungen zugrunde liegen können.