Wagner , Kay-Dietrich: Thema: "Effekte von Hypoxie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion von humanen Vorhoftrabekeln und Rattenpapillarmuskeln - Möglichkeiten der Protektion"

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Kapitel 1. Einleitung

1.1. Das klinische Problem

Die chronisch ischämische Herzkrankheit gilt heute als einer der wesentlichen Gründe für schwere Krankheit und vorzeitigen Tod in den entwickelten Ländern [1]. So sterben jährlich mehr als 200000 Amerikaner unter 65 Jahren an der ischämischen Herzkrankheit und mehr als 25mal so viele leiden unter dabei auftretenden Komplikationen [2]. Keine andere Krankheit verursacht so viele Todesfälle und auch ökonomische Verluste wie die Herzkrankheiten. Unter diesen steht die chronisch ischämische Herzkrankheit an erster Stelle [1;2]. In Kanada betrugen 1986 die Kosten für die kardiovaskulären Erkrankungen 21 % der gesamten Ausgaben für Erkrankungen, das entsprach 5,2 Milliarden $ direkten Kosten und 11,6 Milliarden $ indirekten Kosten [3]. Gleichartige Trends sind für andere industrialisierte Länder beschrieben.

Zur Entstehung der ischämischen Herzkrankheit können verschiedene Faktoren beitragen. Die größte Bedeutung kommt dabei der Atherosklerose der Koronararterien zu [4]. Eine weitere mögliche Ursache für das Auftreten von Ischämien stellen Spasmen der Koronararterien dar [8].

Fortschritte in der Behandlung der koronaren Herzkrankheit ermöglichen häufig das Überleben des ischämischen Myokards. Dazu ist eine Reperfusion des nicht versorgten Myokardabschnittes notwendig. Diese versucht man durch den Einsatz der Lysetherapie mittels Streptokinase, Urokinase oder tPA zu erzielen. Weitere Möglichkeiten zur Wiedereröffnung stenosierter Koronararterien sind die perkutane transluminale Coronarangioplasty (PTCA) [5,6], die direktionale Coronaratherektomie (DCA), Rotablatation oder Laserablation.

Beim Auftreten von Spasmen der Koronararterien kann das ischämische Gewebe durch Einsatz von Pharmaka, die eine Relaxation des Gefäßes bewirken, reperfundiert werden. Herzchirurgische Methoden erlauben eine Überbrückung stenosierter Gefäßabschnitte mittels eines aorto-coronaren Bypasses.

Eine Myokardischämie tritt weiterhin bei herzchirurgischen Operationen unter Einsatz der Kardioplegie auf [7]. In diesen Fällen handelt es sich im Gegensatz zur regionalen Ischämie bei der koronaren Herzkrankheit um eine globale Ischämie. Ziel verschiedener Ansätze kardioplegischer Lösungen ist auch die Erhöhung der Ischämietoleranz des Gewebes. Die Qualität der kardioplegischen Protektion hängt dabei von dem raschen Eintreten des diastolischen Stillstandes, von der Kühlung des Herzens sowie von der


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Applikation antiischämischer Pharmaka zur Verhinderung irreversibler Schädigungen ab [18]. Die verwendeten kardioplegischen Lösungen bewirken bei ihrem Einsatz deutliche Veränderungen auf zellulärer Ebene, wie z.B. Veränderungen des Membranpotentials durch Änderung des intrazellulären und extrazellulären Ionenmilieus [16].

Da eine längere Zeit andauernde Ischämie in jedem Fall schweren Schaden am Myokard verursacht, ist die möglichst frühzeitige Reperfusion wesentlich für das Überleben des ischämischen Myokards [9,10,11]. Mit der Reperfusion sind nun aber wieder zusätzliche Gefahren für das Myokard verbunden, so daß häufig auf Reperfusionsschäden hingewiesen wurde [12,13,14]. Das Auftretens von Reperfusionsschäden ist schon über längere Zeit bekannt, die Reperfusion wurde sogar als "doppelschneidiges Schwert" [6] bezeichnet; die zugrundeliegenden Schädigungsmechanismen werden aber weiterhin kontrovers diskutiert.

Im Zusammenhang mit dem auftretenden Reperfusionschaden wurden mehrere Phänomene beschrieben. So zeigte sich nach thrombolytischer Therapie eine erhöhte Sterblichkeit im Zusammenhang mit dem Auftreten von Arrhythmien und "low output failure" mit nachfolgendem kardiogenem Schock. Nach frühzeitiger Thrombolyse konnte der nicht organisierte Thrombus zwar besser aufgelöst werden, die Gesamtletalität sinkt dabei deutlich, aber gerade in den ersten 24 Stunden nach Beginn der Therapie treten gehäuft Arrhythmien auf [15].

Die Reperfusion ischämischen Myokards hat auch bei der Angina pectoris eine wesentliche Bedeutung. In den meisten Fällen tritt nach einer kurzen ischämischen Episode, die durch Mikrothromben und Plättchenaggregate oder auch durch Spasmen der Gefäße ausgelöst wird, eine spontane Lyse des Thrombus oder eine Lösung des Spasmus auf. In all diesen Fällen setzt ebenfalls eine Reperfusion ein, die neben der ischämiebedingten zu einer weiteren Schädigung führen kann.

Die Reperfusionsschäden unterscheiden sich dabei grundsätzlich von den durch Ischämie bedingten Schädigungen [19]. Während der Ischämie ist das Gewebe mit Sauerstoff und Substraten unterversorgt, durch die Verringerung des Blutflusses können sich toxische Stoffwechselprodukte anhäufen. Nach kurzer Zeit einer Koronarocclusion, bedingt durch die Hypoxie und die daraus resultierende Umschaltung von aerobem zu anaerobem Stoffwechsel, beginnt der rasche Abbau energiereicher Phosphate sowie der Glycogenreserven. Der anaerobe Stoffwechsel führt zur Lactatproduktion und damit zu einer Azidose. Im Zusammenhang mit der Verarmung an energiereichen Phosphaten ändern sich die aktiven Transportvorgänge der Zelle. Daraus resultieren Ionenverschiebungen und Veränderungen im Aktionspotential und klinisch sichtbare Veränderungen im EKG, wie Hebungen oder Senkungen der ST-Strecke [21]. Die


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systolische Spannung nimmt ab und nach einiger Zeit die diastolischen Spannung zu (ischämische Kontraktur). Es entsteht das Bild eines ischämischen Herzversagens [13].

Während der Ischämie entsteht weiterhin eine erhöhte Thrombozytenaggregation und damit eine steigende der Anzahl von Mikrothromben [28].

Als pathomorphologische Veränderungen treten eine Zellschwellung mit Trennung der Plasmamembran vom Fibrillennetzwerk, die als subsarkolemmale Blasen imponieren, eine Schwellung der Mitochondrien, eine Trennung der Myofibrillen von den Disci intercalares, eine Aggregation des Kernchromatins, die Bildung von Kontraturbanden, eine Auflösung der Intermediärfilamente sowie weitere Veränderungen kontraktiler und zytoskeletaler Proteine auf. In diesem Zustand können die Schädigungen noch reversibel sein [20]. Beim Andauern der Ischämie treten irreversible Schädigungen auf, es entsteht ein Myokardinfarkt. Die irreversiblen Schädigungen sind durch den Austritt von Enzymen, wie z.B. Kreatinkinase und Lactatdehydrogenase aus dem Zytosol, sowie morphologisch durch Aufhebung der Membranstruktur gekennzeichnet [22].

Beim Einsetzen der Reperfusion im nicht letal geschädigten Myokard können die energiereichen Phosphate mit dem Einsetzen des aeroben Stoffwechsels ersetzt und die ultrastrukturell sichtbaren Schädigungen repariert werden. Eine weitere Ausbreitung des Schadens ist aber ebenfalls möglich [20]. Reperfusion und Reoxygenierung können zum massiven Enzymaustritt führen, ultrastrukturelle Veränderungen und Kontraktur sind mögliche Folgen der Reoxygenierung; verschiedene metabolische, morphologische, elektrophysiologische und funktionelle Veränderungen sind beschrieben. Die Schädigung setzt dabei hauptsächlich in den ersten Minuten der Reperfusion ein [19]. Das "no reflow phenomenon" [23], "myocardial stunning", ein reversibler Defekt der Myokardfunktion, welcher sich in der Reoxygenierung entwickelt, sowie eine Ausbreitung der Gewebsnekrose treten auf [24]. Da die Letalität bei Infarktpatienten durch das Ausmaß der Nekrose und durch die linksventrikuläre Dysfunktion beeinflußt wird, kommt dieser zusätzlichen Schädigung und ihrer Prävention besondere Bedeutung zu [23].

Weiterhin ist die Reperfusion gehäuft von Arrhythmien, die ebenfalls zum Tod des Patienten führen können, begleitet. Amplitude und Dauer des Aktionspotentials sind verändert. Frühe Nachdepolarisationen und dadurch getriggerte Spontanaktivität sowie späte Nachdepolarisationen und Pulsus alternans, der ebenfalls für die Arrhythmieentstehung verantwortlich sein kann, sind beschrieben. Eine weitere Möglichkeit für das Auftreten von Fibrillationen liegt in der Auslösung von Reentry-Mechanismen durch die verringerte Leitungsgeschwindigkeit im ischämischen Gewebe gegenüber der im angrenzenden Myokard [21].


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Verschiedene pharmakologische Ansätze wurden in den letzten Jahren experimentell und klinisch erprobt, um die durch Ischämie und Reperfusion bedingten Schäden zu verringern und die Letalität der Infarktpatienten zu senken. Es wurden Kalzium-Antagonisten zur Verhinderung des "myocardial stunning" eingesetzt, die Ergebnisse sind dabei widersprüchlich [20, 24, 25]. Für den Einsatz von Beta-Blockern während der Reperfusion konnte eine Senkung der Letalität bei Infarktpatienten nachgewiesen werden. Streitpunkt bleibt aber, ob es möglich ist, mit ihrem Einsatz die Infarktgröße zu reduzieren oder ob es sich primär um einen antiarrhythmischen Effekt handelt [26, 27]. Weitere klinische Erfolge wurden durch Thrombozytenaggregationshemmer wie Aspirin oder Dipyridamol erzielt. Für diese Pharmaka konnte eine Verringerung der Herztodesfälle nach Myokardinfarkt und eine Verringerung der Reinfarktsterblichkeit nachgewiesen werden [29]. Weiterhin werden mit Erfolg bei der Behandlung der Angina pectoris Pharmaka eingesetzt, die zur Relaxation der Koronararterien führen und so die Ischämie beenden bzw. verhindern. In experimentellen Arbeiten sind auch verschiedene Antioxidantien mit der Vorstellung verwendet worden, einen Schaden durch in der Reoxygenierung entstehende Radikale zu verhindern [30]. Auch dieser Ansatz wird sehr kontrovers diskutiert [9, 12, 14, 15, 23, 30, 31, 32, 33, 34].

1.2. Mechanismen von ischämiebedingten und Reperfusionsschäden

Veränderungen im Energiestoffwechsel

Die Hauptfaktoren von Ischämie und Reperfusion sind der Sauerstoffmangel (Hypoxie) während Ischämie bzw. Sauerstoffwiedereintritt (Reoxygenierung) in der Reperfusion. Die verminderte Sauerstoffversorgung des Myokards bedingt eine verminderte ATP-Synthese durch die oxidative Phosphorylierung. Die ATP-Konzentration bleibt durch die Kreatinphosphatspaltung, die ATP-Synthese aus ADP und durch die anaerobe Glycolyse vorübergehend nahezu konstant [13]. Folgende Reaktionen laufen ab:

ATPrarrADP+Pi

[13]

2ADPharrATP+AMP

[13]

PCr+ADP+H+harrCr+ATP

[35].

Die Kreatinphosphatspaltung zu Beginn der Hypoxie führt zu einer initialen Alkalose, der bei Einsetzen der anaeroben Glycolyse eine Azidose folgt [36]. Die Azidose bedingt eine verminderte Sensitivität der kontraktilen Proteine für Ca2+ [37]. Die gleichzeitige Erhöhung der Konzentration von Pi führt zu einer Reduktion der maximalen Ca2+-regulierten Kraft sowie zu einer Verschiebung der sigmoiden Beziehung zwischen Kraft


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und Ca2+ zu höheren Ca2+-Konzentrationen [38]. Auf diese Weise sinkt trotz konstanter ATP-Konzentrationen in den ersten Minuten einer Ischämie die maximal entwickelte Kraft. Dadurch entsteht ein verringerter ATP-Verbrauch, was möglicherweise einen kardioprotektiven Effekt hat, da die Schonung der Energiereserven zu einer Verringerung der Ca2+-Überladung der Zelle und zu einer Erhaltung der freien Energie über das zum Überleben des Myokards notwendige Niveau beiträgt [39]. Obwohl die oxidative Phosphorylierung in den ersten Minuten einer Ischämie gegen Null geht, bleibt die ATP-Konzentration durch eine gegenüber dem normoxischen Niveau etwa 20-fach gesteigerten Glycolyse mit einer ATP-Produktion von 0,1-0,2 mM/s in der Hypoxie und einem durch die geringere Spannungsentwicklung verringerten ATP-Verbrauch vorübergehend konstant. In der Hypoxie bleibt die hohe Glycolyserate im Gegensatz zur Ischämie, bei der trotz ausreichender Glycogen-Speicher eine Abnahme der Glycolyserate auftritt, länger erhalten [13].

Die mit der Abnahme der oxidativen Phosphorylierung einhergehende Spaltung des Kreatinphosphates führt zur Zunahme der Pi-Konzentration sowie zur Zunahme der ADP-Konzentration. Eine 20%-ige Abnahme von PCr gegenüber dem normalen zellulären Level bewirkt eine Zunahme der Konzentration von ADP auf 200% und eine Zunahme der Konzentration von Pi auf 160%. Dies hat Einfluß auf die Änderung der freien Energie der ATP-Spaltung entsprechend folgender Gleichung:

DeltaGATP=DeltaGoATP+RT ln[ATP]/ [ADP]×[Pi]

[35].

Dabei sind DeltaGATP die Änderung der freien Energie der ATP-Hydrolyse, DeltaGoATP die Standardänderung der freien Energie der ATP-Hydrolyse, [ATP] die ATP-Konzentration, [ADP] die ADP-Konzentration und [Pi] die Konzentration an anorganischem Phosphat.

Trotz konstanter ATP-Konzentration sinkt so innerhalb der ersten Minuten einer Ischämie mit steigenden Konzentrationen von ADP und Pi die freie Energie der ATP-Hydrolyse. Dies beeinflußt die Funktion aktiver Ionentransportmechanismen. So beträgt DeltaGATP für die Ca2+-ATPase des SR 53 kJ/mol hydrolysiertes ATP, für die Na+-K+-ATPase des SL 44 kJ/mol und für die Ca2+-ATPase des SL 39 kJ/mol [13].

Die Km-Werte für ATP, die für die halbmaximale Aktivierung der Transporter notwendig sind, liegen mit 0,18 mM ATP für die Ca2+-ATPase des SR, 0,10 mM ATP für die Na+-K+-ATPase, 0,03 mM ATP für die Ca2+-ATPase des SL und 0,05 mM ATP für die Rigorentwicklung der Kreuzbrücken deutlich unter der normalen zellulären ATP-Konzentration von 6 bis 8 mmol/l. So ist es wahrscheinlich, daß der Abfall von DeltaGATP wesentlich bedeutender für die Funktionsstörung der aktiven Transportprozesse der Myokardzellen ist, als eine unter den Km-Wert verringerte ATP-Konzentration [13].


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Eine wesentliche Funktion für die Aufrechterhaltung der Ionenhomöostase kommt außerdem der glycolytischen ATP-Bildung zu. Eine Kopplung von Enzymaktivitäten der Glycolyse an SR-Vesikel konnte nachgewiesen werden [40]. Das von den SR-assoziierten Enzymen der Glycolyse gebildete ATP hat eine wesentliche Bedeutung für die Funktion der Ca2+-ATPase des SR bei der Aufrechterhaltung der Ca2+-Homöostase während Hypoxie und Reoxygenierung [40]. Trotz dieser beschriebenen Mechanismen entsteht bei Hypoxie und Reoxygenierung eine tiefgreifende Störung des Ionenmilieus, was sich auch im Mechanogramm isolierter Herzpräparate widerspiegelt [13, 41].

Störungen der Ca2+-Homöostase

Reperfusion und Reoxygenierung nach längerer Ischämie oder Hypoxie sind mit einem Anstieg der Ca2+-Konzentration im geschädigten Myokard verbunden. Die gesteigerte Ca2+-Aufnahme der Zellen steht mit einer verringerten mechanischen Funktion des Präparates im Zusammenhang [41].

Der L-Typ Ca2+-Kanal des SL scheint für die Ca2+-Überladung ohne größere Bedeutung zu sein, da während der Ischämie eine Inaktivierung des Kanals im Zusammenhang mit verringertem pH und niedriger ATP-Konzentration auftritt [42]. Während der Reoxygenierung ist der Kanal wahrscheinlich durch die erhöhte intrazelluläre Ca2+-Konzentration inaktiv [42]. So erklärt sich der geringe Effekt von Ca2+-Antagonisten auf die Ca2+-Überladung. Als wesentliche Ursache für den überschüssigen Ca2+-Eintritt wird die Aktivität des Na+/Ca2+-Austauschers (NaCaEx) angesehen [1,10,43]. Die zusätzliche Aktivierung des NaCaEx ist auf der Grundlage der während der Hypoxie entstehenden Azidose, die zur Aktivierung des Na+/H+-Austauschers führt, möglich [1,10,41,44]. Während des frühen Aktionspotentials tritt über den NaCaEx normalerweise ein zusätzlicher Ca2+-Einstrom und Na+-Ausstrom und in der Repolarisation ein Ca2+-Ausstrom und Na+-Einstrom auf. Damit trägt der elektrogene Austauscher normalerweise zu Kontraktion und Relaxation bei [45]. Die Richtung der Ionenflüsse über den NaCaEx wird vom Membranpotential und den vorhandenen intra- und extrazellulären Na+- und Ca2+-Konzentrationen bestimmt. Das Umkehrpotential (VR) für den NaCaEx [20, 24, 25] ergibt sich aus folgender Gleichung:

VR=(nVNa-2VCa)/(n-2)

[42].

Darin sind n das Na+/Ca2+-Kopplungsverhältnis und VNa bzw. Vca die Gleichgewichtspotentiale für Na+ bzw. Ca2+. Diese berechnen sich als:

VNa=RT/F ln ([Na+]e/[Na+]i)

bzw.

VCa=RT/F ln (Ca2+]e/[Ca2+]i)

[42].


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Dabei sind VNa bzw. VCa die Gleichgewichtspotentiale für Na+ bzw. Ca2+, R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, F die Faraday-Konstante, [Na+]e die extrazelluläre Na+-Konzentration, [Na]i die intrazelluläre Na+-Konzentration, [Ca2+]e die extrazelluläre Ca2+-Konzentration und [Ca2+]i die intrazelluläre Ca2+-Konzentration. Das Umkehrpotential liegt normalerweise zwischen -10 und -30 mV. In der Hypoxie verkürzt sich das Aktionspotential (AP) [45] und damit verringert sich vorübergehend der Na+-Efflux über den NaCaEx. Die durch die Glycolyse bedingte intrazelluläre Azidose bewirkt eine Erhöhung der intrazellulären Na+-Konzentration über den Na+/H+-Austauscher [42]. Das Umkehrpotential VR für den NaCaEx nimmt ab, so daß ein Na+-Ausstrom und ein Ca2+-Einstrom auftreten können [42]. Die Aktivität des Na+/Ca2+-Austauschers ist allerdings zusätzlich von pH und Phosphorylierungsgrad abhängig. So wird der Austauscher unterhalb pH 6 vollständig blockiert. Eine Dephosphorylierung bei sehr geringen ATP-Konzentrationen führt zu einer Verringerung der Ca2+-Affinität und zu einer Abnahme der maximalen Transportgeschwindigkeit [42].

Das sarkoplasmatische Retikulum (SR) hat für die Ca2+-Homöostase sowie für die Kontraktions-und Relaxationsprozesse der Kardiomyozyten unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen besondere Bedeutung. Der transsarkolemmale Ca2+-Einstrom während des AP führt zur Öffnung der Ca2+-Kanäle des SR, was eine Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration und damit eine Aktivierung der Myofilamente nach sich zieht. Der größte Teil des freigesetzten Ca2+ wird mit Hilfe der Ca2+-ATPase des SR rückgebunden, ein weiterer Anteil gelangt über den Na+/Ca2+-Austauscher ins Interstitium, geringe Mengen werden unter physiologischen Bedingungen von Mitochondrien aufgenommen und über die SL-Ca2+-ATPase aus dem Zytosol entfernt. Bestimmend für die SR-Funktion sind die Ca2+-ATPase des SR, die SR-Ca2+-Kanäle, Kalziumbindungsproteine wie z.B. Calsequestrin und das SR-Regulatorprotein Phospholamban [46]. Dephosphoryliertes Phospholamban inhibiert die Ca2+-ATPase, und die Phosphorylierung hebt dieses auf. Phospholamban kann an drei verschiedenen Stellen des Moleküls über die Proteinkinase C, über eine cAMP-abhängige oder über eine Ca2+-Calmodulin-abhängige Proteinkinase phosphoryliert werden [47]. Die Phosphorylierung erhöht außerdem die maximale Transportgeschwindigkeit (Vmax) für Ca2+. Während einer Hypoxie beginnt innerhalb von 5-10 min eine Störung der SR-Funktion, die sich hauptsächlich an einer verringerten Ca2+-Aufnahme in das SR aufgrund einer Vmax-Abnahme ohne Veränderung des Km-Wertes der Ca2+-ATPase [41,46] zeigt [10]. Nach kurzem O2-Mangel ist die Abnahme von Vmax in der anschließenden Reoxygenierung vollständig reversibel [48]. Nach langdauerndem O2-Mangel entsteht ein irreversiblen Verlust der SR Ca2+-ATPase-Aktivität, was mit einer Moleküldenaturierung verbunden


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ist [46]. Kurze Ischämiezeiten bis zu 15 min wirken sich nicht auf die Phospholambanphosphorylierung aus, nach längerer Ischämie tritt allerdings eine Dephosphorylierung auf [46]. Weitere Faktoren für die gestörte SR-Funktion sind Veränderungen in der Phospholipidzusammensetzung der Membranen, die möglicherweise durch die Bildung freier Sauerstoffradikale in Ischämie und Reperfusion verbunden mit einer reduzierten antioxidativen Kapazität der Kardiomyozyten, bedingt sind [46] sowie eine Hemmung der SR-Ca2+-ATPase durch den erhöhten Spiegel an anorganischem Phosphat [49].

Das Verhalten der Ca2+-abhängigen Ca2+-Freisetzung aus dem SR während Hypoxie und Reoxygenierung wird kontrovers diskutiert.

Einigen Autoren beschreiben eine gesenkte Ca2+-Freisetzung aus dem SR während O2-Mangel [49,50], die als niedrigere Ca2+-Ausschüttung bei verminderter Ca2+-Beladung aufgrund der verringerten Aktivität der Ca2+-ATPase des SR [49] bzw. als verringerte Aktivierbarkeit der Ca2+-abhängigen Ca2+-Kanäle des SR durch einen erhöhten Calmodulin-Spiegel [50] diskutiert wird.

In anderen Arbeiten zeigten sich keine Effekte auf die Ca2+-Kanäle des SR [46,48]. Die beschriebenen Diskrepanzen stehen wahrscheinlich im Zusammenhang mit verschiedenen untersuchten Spezies sowie mit verschiedenen experimentellen Methoden. Generell ist bekannt, daß die Aktivierbarkeit der Ca2+-abhängigen Ca2+-Kanäle des SR von der zytosolischen Ca2+-Konzentration, der H+-Konzentration, der Konzentration an Adeninnukleotiden und vom Phosphorylierungsgrad abhängt [46]. All diese Parameter sind während Ischämie und Reperfusion verändert, so daß ein Einfluß auf die Ca2+-Kanäle des SR wahrscheinlich ist. Reversible Störungen der SR-Funktion korrelieren mit dem Ausmaß der postischämischen reversiblen myokardialen Dysfunktion, die als "stunning" bekannt ist, woraus sich die Bedeutung der veränderten Funktion der SR-Ca2+-ATPase und der SR-Ca2+-Kanäle für Störungen der Kontraktilität im nicht letal geschädigten Myokard nach Ischämie und Reperfusion ableiten läßt [51]. Die Kalziumüberladung der Myozyten und teilweise auch der Mitochondrien in der Reperfusion bestimmt im wesentlichen das Überleben des bis dahin nicht letal geschädigten Myokards [10].

Störungen der Ionenhomöostase

Im ischämischen Myokard ist nicht nur der Kalziumhaushalt, sondern nahezu die gesamte Ionenhomöostase gestört. Magnesium- und Kaliumionen gehen aus der Zelle verloren, und anschließend tritt ein intrazellulärer Na+- und Ca2+-Anstieg auf. Die Mitochondrien zeigen ebenfalls einen Verlust von Mg2+ und einen Anstieg von Na+ und Ca2+ [10]. Für


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die Na+-Überladung der Myozyten sind das Versagen der Na+/K+-ATPase des SL in der Hypoxie und der Eintritt von Na+ über den schnellen Na+-Kanal sowie über den Na+/H+-Austauscher von Bedeutung [1,10,42,52]. Die anaerobe Energiegewinnung mittels Glycolyse bei O2-Mangel führt zum intrazellulären pH-Abfall, der über die Aktivierung des Na+/H+-Austauschers zum intrazellulären Na+-Anstieg beiträgt [1,10,42,44]. Der Na+-Kanal des SL ist unter Bedingungen reduzierter Sauerstoffversorgung ein wesentlicher Kandidat für einen intrazellulären Na+-Anstieg [53]. In der Ischämie kommt es durch Anhäufung von Metaboliten wie langkettigen Acylcarnitinen und Lysophospholipiden im SL zur verlangsamten Inaktivierung des Na+-Stromes und Verschiebung der Aktivierung des Kanals in Richtung negativerer Ruhepotentiale. Damit tritt insgesamt ein größerer Na+-Einstrom auf [10]. Die intrazelluläre Na+-Erhöhung führt über die Aktivierung des NaCaEx wiederum zum intrazellulären Ca2+-Anstieg. Außerdem ist eine arrhythmogene Wirkung beschrieben [1].

Für das Auftreten ventrikulärer Tachycardien nach Ischämie und Reperfusion scheint dem Kaliumverlust eine besondere Bedeutung zuzukommen [1,54]. Während der Hypoxie tritt ebenfalls ein Kaliumverlust in den Extrazellulärraum auf, der dort aber durch den weiterhin bestehenden Fluß im Gegensatz zur Ischämie nicht zu einer Erhöhung der K+-Konzentration führt [10]. Nach einem Anstieg des Kaliumausstromes in den ersten Minuten, der von einem Plateau gefolgt wird tritt nach länger dauernder Hypoxie ein zweiter Anstieg des K+-Auswärtsstromes auf [54].

Der K+-Ausstrom wird durch das Zusammenspiel mehrerer Mechanismen bewirkt. Allgemein bekannt ist die Öffnung ATP-abhängiger K+-Kanäle durch sinkende ATP-Konzentrationen bei Sauerstoffmangel [1,10,45,54,55,56]. Durch die Öffnung der ATP-abhängigen K+-Kanäle sinkt das diastolische Membranpotential [42,55,56] sowie die Anstiegsgeschwindigkeit des AP, und das Plateau des AP verkürzt sich [1,10,54,56]. Der damit verminderte Ca2+-Einstrom verringert die Ca2+-Überladung [1]. Der geringere Ca2+-Einstrom senkt die Kontraktilität und reduziert den Energieaufwand [10,45,56]. Der Öffnung der ATP-abhängigen K+-Kanäle wird so eine kardioprotektive Wirkung beim Auftreten von Hypoxie oder Ischämie zugeschrieben [10,45,54,56]. Weiterhin ist eine Zunahme der extrazellulären und Abnahme der intrazellulären K+-Konzentration möglich durch:


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Die beschriebenen Veränderungen der K+-Ströme sind während der Reperfusion bei nicht letal geschädigtem Myokard zumindest teilweise reversibel [45,54,56].

Einflüsse auf Myofilamente und Mitochondrien

Es ist bekannt, daß Hypoxie und Reoxygenierung nicht nur Einfluß auf die Ionenhomöostase haben, sondern daß auch direkte Veränderungen an den Myofilamenten hervorrufen, die zur kontraktilen Dysfunktion beitragen [10]. Im reoxygenierten Myokard nimmt die maximale Ca2+-aktivierten Kraft und die Ca2+-Sensitivität der Myofilamente ab [41]. Mögliche Ursachen sind das Auftreten eines zellulären Ödems mit vergrößerter Interfilamentdistanz, eine erhöhte Mg2+-Konzentration und eine Ca2+-aktivierte proteolytische Spaltung der kontraktilen Proteine [41]. Die auftretende Azidose bewirkt eine Verdrängung von Ca2+ durch H+ am Troponin [44] und eine Hemmung der Aktivität der Ca2+/Mg2+-ATPase der Myofilamente [57]. Der Lactat- und Phosphatanstieg bewirken direkt eine veränderte Kinetik der Myofilamente [10], wobei Pi zur Verringerung der aktiven Kraft ohne Abnahme der Verkürzungsgeschwindigkeit führt [10]. Die Ca2+-Spannungskurve wird durch das erhöhte Pi nach rechts verschoben [38].

Die erhöhte intrazelluläre Ca2+-Konzentration in Hypoxie und Reoxygenierung führt außerdem zur Ca2+-Aufnahme durch die Mitochondrien [58]. Die Ca2+-Aufnahme wird hauptsächlich über einen spannungsabhängigen Transport realisiert, die Ca2+-Abgabe aus der Mitochondrienmatrix in das Zytosol geschieht über einen elektroneutralen NaCaEx [10]. Große Mengen von Ca2+ in der Mitochondrienmatrix führen zur Öffnung von Membranporen in der inneren Mitochondrienmembran, die nicht ionenselektiv sind [58]. Folge ist eine Ca2+-Überladung der Mitochondrien und damit eine Einschränkung der ATP-Synthese durch die Atmungskette im Anschluß an den O2-Mangel [10].

Schädigung durch Enzymaktivierung und reaktive Sauerstoffspezies

Mögliche Erklärungen für die beschriebenen Störungen der zellulären Funktionen liegen in der Aktivierung von Ca2+-abhängigen Enzymen durch die vorübergehend erhöhte intrazelluläre Ca2+-Konzentration. Sie greifen die Membran- und Proteinstrukturen der Zelle an, wie z.B. die Myofilamente, Ca2+-Kanäle des SR [41] oder die Ca2+-ATPase des SR, für die eine Schädigung durch eine Ca2+-aktivierte neutrale Protease nachgewiesen ist [59].

Reaktive Sauerstoffspezies werden während Hypoxie und Reoxygenierung bei gleichzeitiger Verminderung der endogenen antioxidativen Kapazität der Zellen gebildet.


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Eine Schädigung der Ca2+-ATPase des SR [34], des Na+/Ca2+-Austauschers des SL [41], der Na+/K+-ATPase [60,61] und der Ca2+-ATPase des SL [62] durch reaktive Sauerstoffspezies sind beschrieben. Eine weitere Möglichkeit für das Zustandekommen der Ca2+-Überladung der Kardiomyozyten liefert der Ca2+-Einstrom über Ca2+-Kanäle des SL, die unter dem Einfluß freier Radikale gebildet werden und nicht mit unspezifischen Membranporen, die erst nach längerer Ischämie auftreten und den irreversiblen Verlust der Membranintegrität anzeigen, identisch sind, dar [63].

Freie Sauerstoffradikale entstehen in der Hypoxie und zu einem großen Teil zu Beginn der Reoxygenierung [12,14,19,33,60,64,65] durch:

Aktivierung von Leukozyten,

Es kommt zur Entstehung von Superoxidanionen (_O2-), Hydrogenperoxid (H2O2), Hydroxylradikalen (_OH) und Singlet-Sauerstoff (1O2) [12,64,65]. Der Organismus schützt sich vor der toxischen Wirkung der Radikale durch verschiedene Abbaumechanismen. _O2- wird unter dem Einfluß der Superoxiddismutase abgebaut, die im Zytosol hauptsächlich als CuZnSOD und in der Mitochondrienmatrix als MnSOD vorliegt [12].

_O2- + _O2- + 2H+ rarr O2 + H2O2

[12]

Hydrogenperoxid wird unter dem Einfluß der Katalase abgebaut:

2H2O2 rarr O2 + H2O

[12].

Eine weitere Möglichkeit für den Abbau des Hydrogenperoxids oder organischer Hydroperoxide stellt die Reaktion mit Gluthation unter dem Einfluß der Gluthationperoxidase mit Selen als Coenzym dar:

H2O2 + 2GSH rarr GSSG + 2H2O

[12].

Durch die Haber-Weiss-Reaktion:

H2O2 + _O2- rarr _OH + OH- + O2

[12]

oder die Fenton-Reaktion:

H2O2 + Fe2+ rarr _OH + OH- + Fe3+

[12]

kann es aber auch zur Entstehung des hochreaktiven Hydroxylradikals kommen [12,14,66,67]. Eine weitere Möglichkeit für die Entstehung von _OH ist die eisenunabhängige Reaktion von _O2- mit _NO [64,65]. Singlet Sauerstoff entsteht, wenn


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ein ungepaartes Elektron des molekularen Sauerstoffs durch Energieabsorbtion auf ein höheres Orbital gehoben wird und dabei eine Umkehr des Spins erfährt [64].

Die Störung der Ca2+-Homöostase führt zur Aktivierung einer Ca2+-abhängigen Protease, die eine Umwandlung der Xanthindehydrogenase in die Xanthinoxidase bewirkt [14,64], die wiederum zur Bildung von _O2-, H2O2 und 1O2 beiträgt [67]. Die Bedeutung der Xanthinoxidasereaktion für die Schädigung nach Hypoxie und Reoxygenierung wird kontrovers diskutiert. Bei Zusatz von Hypoxanthin und Xanthinoxidase zeigten sich in mehreren Studien Schädigungen, die mit den beobachteten Veränderungen nach Ischämie und Reperfusion übereinstimmen [31,62,68,69,70], in anderen konnte durch eine Hemmung der Xanthinoxidase eine Kardioprotektion erreicht werden [71] und wieder andere konnten keine Bedeutung der Xanthinoxidase in Ischämie und Reperfusion feststellen [32,66].

Veränderungen der Substratverwertung

Neben den beschriebenen Mechanismen spielt bei O2-Mangel und Reoxygenierung auch eine veränderte Substratverwertung eine Rolle. Unter aeroben Stoffwechselbedingungen erfolgt die hauptsächliche Energiegewinnung des Myokards aus Fettsäuren. Unter O2-Mangel nimmt der Anteil der Energiegewinnung aus Fettsäuren ab und die Glucoseverwertung zu [72]. Im Anschluß an einen Myokardinfarkt entstehen vermehrt freie Fettsäuren, die zu einer Verschlechterung der postischämischen Erholung beitragen können [73]. Die nachteiligen Wirkungen erhöhter Fettsäurekonzentrationen können durch den erhöhten Sauerstoffverbrauch für den Katabolismus, proarrhythmische Effekte von langkettigen Acylkarnitinen und Acyl-Koenzym A und eine Verminderung der Glucoseoxydation in Anwesenheit von freien Fettsäuren erklärt werden [73].

Einfluß von Stromazellen

Die Veränderungen während Hypoxie und Reoxygenierung betreffen aber nicht nur Myozyten, Endothel und glatte Gefäßmuskulatur, sondern auch das Stroma des Herzens. Mechanosensitive Fibroblasten, die nicht elektrisch erregbar sind, sondern nur auf Dehnungsreize mit einer Schwankung des Membranpotentials -dem mechanisch induzierten Potential- reagieren, sind sowohl für das Rattenherz [74] als auch für humanes Vorhofmyokard [75] beschrieben. Nach kurzer Hypoxie und Reoxygenierung reagieren die Fibroblasten mit einer Zunahme der Amplitude des mechanisch-induzierten Potentials, die möglicherweise auf die veränderte mechanische Aktivität der Myozyten, eine veränderte Ca2+-Aufnahme in das endoplasmatische Retikulum und Veränderungen an mikrotubulären Filamenten und Aktinfilamenten zurückzuführen sind [76]. Ein


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Myokardinfarkt führt zu generellen Veränderungen der Kollagenzusammensetzung und zur Proliferation der Fibroblasten. Das Membranpotential der Fibroblasten wird dabei in Abhängigkeit von der Infartgröße zu negativeren Werten verschoben, weiterhin ändert sich der Membranwiderstand. Ein Einfluß auf benachbarte Myozyten und damit Auslösung von Rhythmusstörungen sind denkbar [77].

Das Zusammenspiel der beschriebenen Mechanismen führt zu den klinisch sichtbaren Veränderungen in Ischämie und Reperfusion deren Hauptkomponenten Hypoxie und Reoxygenierung darstellen. Die Berücksichtigung von Einzelaspekten und die Prüfung von deren Gültigkeit im Modell hat bei der Interpretation von experimentell erhobenen Befunden zu erfolgen.

Experimentelle Ansätze und klinische Untersuchungen haben wesentliche Fortschritte im Verständnis von Ischämie und Reperfusion gebracht. Die weiterhin bestehenden Kontroversen über die mögliche Reduzierung der Infarktgröße und die Verhinderung der durch Ischämie und Reperfusion bedingten Schädigungen lassen sich auf eine Vielzahl verschiedener Faktoren zurückführen. So werden experimentelle Arbeiten an gesunden Versuchstieren durchgeführt, während ein Infarkt beim Menschen meist auf vorgeschädigtes Myokard trifft. Beim Einsatz von Pharmaka unter experimentellen Bedingungen kann nicht immer unterschieden werden, ob das Medikament nur zu einem verzögerten Einsetzen des Zelltodes führt oder ob es diesen wirklich verhindert. Ein weiterer Faktor für die verschiedenen Ergebnisse kann das unterschiedliche verwendete tierexperimentelle Modell sein. So ist beispielsweise für den Hund eine ausgeprägte Kollateralversorgung bekannt, die den Vergleich zum menschlichen Herzen schwierig macht [18]. Bei verschiedenen Spezies ist außerdem die unterschiedliche Enzymausstattung zu berücksichtigen. Unterschiedliche Ergebnisse können sich auch am gleichen Tier ergeben, falls verschiedene Parameter zur Charakterisierung des Schadens benutzt werden [31, 32]. Für die Untersuchungen der protektiven Wirkungen von Antioxidantien werden häufig Systeme verwendet, die eine Radikalentstehung generieren [33].

Insgesamt hat eine Vielzahl von Studien wesentlich zum Verständnis der Pathophysiologie von Ischämie und Reperfusion beigetragen und neue Möglichkeiten der Therapie eröffnet, die experimentellen Ergebnisse müssen aber weiterhin kritisch gewertet werden. Die Verhältnisse beim Menschen bleiben noch relativ unklar, da nur eine geringe Anzahl von experimentellen Befunden über die zellulären Mechanismen von Ischämie und Reperfusion für humanes Myokard vorliegt.


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1.3. Problemstellung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Untersuchung der kontraktilen Funktion von humanen Vorhoftrabekeln und Rattenpapillarmuskeln während Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung. Dabei sollte die Beeinflussung der kontraktilen Funktion in Hypoxie und Reoxygenierung durch verschiedene Pharmaka bzw. deren Kombination im Sinne einer Kardioprotektion untersucht werden. Der Pharmakaeinsatz diente ferner zur Charakterisierung möglicher Angriffspunkte hypoxie- und reoxygenierungsbedingter Schädigungsmechanismen sowie zur weiteren Aufklärung des möglichen Wirkungsmechanismus des klinisch in der kardioplegischen Lösung HTK eingesetzten Pharmakons Histidin [16].

Die Verwendung der isolierten humanen Vorhoftrabekel und Rattenpapillarmuskeln erfolgte aus mehreren Gründen. Der gemessene Präparatdurchmesser von durchschnittlich 0,6 mm bzw. 0,8 mm sollte unter normoxischen Bedingungen eine vollständige Versorgung der Muskeln durch Diffusion sichern, was sich an der Stabilität der kontraktilen Funktion unter Normoxie über lange Zeiträume zeigte. Durch die kontinuierliche Superfusion auch während Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung ist der akute Einsatz der Pharmaka möglich. Einzelaspekte einer Ischämie wie Hypoxie, zusätzliche Azidose und zusätzlich erhöhte extrazelluläre K+-Konzentration können getrennt voneinander untersucht werden. Die am ganzen Herzen zu beobachtenden Phänomene des "no reflow" [19, 23] bzw. das Auftreten regionaler Perfusionsstörungen nach regionaler oder globaler Ischämie durch Aktivierung vasoaktiver Substanzen können ausgeschlossen werden. Damit ist der O2-Zutritt nach Beginn der Reoxygenierung gesichert. Ein Weiterbestehen der Hypoxie in Teilen des untersuchten Gewebes ist nicht möglich, es wird bei definierter O2-Versorgung gemessen.

Die Verwendung der Blutersatzlösung schließt einen Einfluß von einwandernden Leukozyten sowie von thrombozytär gebildeten Mediatoren [28] auf die kontraktile Funktion der Präparate in Hypoxie und Reoxygenierung aus. Weiterhin ist eine Reduktion der Glucoseoxidation durch freie Fettsäuren [73] nicht zu erwarten.

Die experimentell erzeugte Hypoxie und Reoxygenierung unterscheiden sich in mehreren Punkten quantitativ und qualitativ von Ischämie und Reperfusion. Die Superfusion der Präparate bedingt eine kontinuierliche Versorgung mit Glucose als Substrat für die glycolytische ATP-Produktion während der Hypoxie. Der Abtransport von Laktat, freigesetzten Adeninnukleotiden, K+ und anderen in der Hypoxie gebildeten Metaboliten findet im Unterschied zur Ischämie statt. Nach Ischämie führt die Reperfusion zum


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langsamen Wiederanstieg des pO2 im Gewebe [13] während in den Versuchen mit Pharmakazusatz mit dem Umschalten von der Hypoxie auf die Reoxygenierung sofort der normoxische pO2 im Superfusat vorhanden war.

In anderen Experimenten versuchten wir zusätzlich den Zeitgang von pO2 bzw. in der Kombination von Hypoxie mit Azidose von pO2 und pH zu simulieren. Die Verminderung des extrazellulären pH bis um maximal 0,8 pH Einheiten während der Hypoxie führt zu einer intrazellulären Azidose von 30-60% des extrazellulären Niveaus [78]. Während schwerer Ischämie ist eine intrazelluläre Azidose von mehr als 0,5 pH Einheiten beschrieben [21]. Die von uns simulierte Ischämie unter Einbeziehung der Azidose entspricht also weitgehend den Bedingungen einer schweren Ischämie bezüglich des pH und pO2.

Die extrazelluläre K+-Konzentration wurde in einem Teil der Versuche auf 30 mM erhöht, um die bei den humanen Vorhoftrabekeln häufig auftretende Spontanaktivität zu unterdrücken. Für die Rattenpapillarmuskeln erfolgte die Erhöhung der K+-Konzentration zur besseren Vergleichbarkeit gegenüber den humanen Trabekeln. Mit der erhöhten extrazellulären K+-Konzentration konnte zugleich eine weitere Komponente der Ischämie simuliert werden. Dabei entspricht die Konzentration von 30 mmol/l Werten, die als Ausdruck sehr schwerer Ischämie im Interstitium auftreten [55]. Somit korrespondiert diese Komponente gut mit den Veränderungen von pH und pO2, die ebenfalls, wie bereits oben beschrieben, in schwerer Ischämie auftreten. Die K+-Konzentration wurde während der Reoxygenierung nicht wieder gesenkt, um die Vergleichbarkeit gegenüber Normoxie und Hypoxie zu erhalten, da sich bereits unter normoxischen Bedingungen signifikante Veränderungen der kontraktilen Funktion bei Erhöhung der K+-Konzentration zeigten.

Die Versuche an Papillarmuskeln von Ratten mit chronischem Myokardinfarkt wurden durchgeführt, um Einblicke in die kontraktile Funktion von Myokard mit infarktinduzierter Hypertrophie während Hypoxie und Reoxygenierung zu erhalten. Damit wird in diesem Modell noch eine zusätzliche klinisch relevante Komponente berücksichtigt [13]. Die scheinoperierten Tiere dienten als Kontrolle, um einen Einfluß der Operation auf das Myokard nicht fälschlich als Einfluß von Infarkt und Hypertrophie zu interpretieren. Die Messungen der SR-Ca2+-ATPase-Aktivität wurden durchgeführt, um mögliche Veränderungen der Ca2+-Regulation im hypertrophierten Myokard mit Einfluß auf die kontraktile Funktion zu untersuchen. Das Kreatinkinase-isoenzym-system, das für die Energiebereitstellung bei O2-Mangel von Bedeutung ist [13] und die antioxidativ wirksamen Enzyme Glutathionperoxidase und Superoxiddismutase, die einen Schutzmechanismus gegnüber in der Reoxygenierung gebildeten Sauerstoffradikalen


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darstellen [64], wurden bestimmt, um weitere Einblicke in mögliche Mechanismen zu erhalten, die eine veränderte Empfindlichkeit von hypertrophiertem Myokard gegenüber Hypoxie und Reoxygenierung bedingen.

Die Effekte von Ischämie und Reperfusion auf die kontraktile Funktion von humanem Myokard sind von großer klinischer Relevanz [13,19]. Die verschlechterte kontraktile Funktion des rechtsatrialen Myokards in Ischämie und Reperfusion spielt ebenfalls eine bedeutende hämodynamische Rolle [79]. Unter diesen Überlegungen wurden die humanen Vorhoftrabekel aus dem rechten Herzohr für die Untersuchungen von Hypoxie und Reoxygenierung am humanen Myokard verwendet. Bei der Interpretation der erhaltenen Befunde ist zu beachten, daß es sich ebenfalls um wahrscheinlich vorgeschädigtes Myokard handelt. Ob eine Hypertrophie vorlag, ist aus unseren Beobachtungen nicht zu ermitteln. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß die Patienten pharmakologisch mit ACE-Hemmern, ß-Blockern, Diuretika und Nitraten behandelt wurden. Einflüsse chronischer ACE-Hemmung und ß-Blockade auf die kontraktile Funktion nach Infarkt sind von uns im Tierexperiment beschrieben worden [80]. Eine akute Wirkung einer vorangehenden pharmakologischen Behandlung ist während des Experiments aufgrund des Verhältnisses von Bad- zu Präparatvolumen und der daraus resultierenden geringen Pharmakakonzentration unter der Annahme, daß die Medikamente keine irreversiblen Veränderungen auslösen, nicht zu erwarten.

Die Hypoxiedauer wurde in allen Experimenten auf 30 min beschränkt, um Veränderungen auf das Mechanogramm sichtbar zu machen, ohne stärkere Einflüsse durch auftretende Myokardnekrosen berücksichtigen zu müssen [9]. Die Reoxygenierung erfolgte, bis keine weiteren normalisierenden Effekte auf die kontraktile Funktion mehr auftraten [81].

Die Analyse des Mechanogramms erfolgte mit dem Ziel, Einblicke in Teilprozesse zu erhalten, die mit der Ca2+-Regulation verbunden sind [82]. Die Kraft-Intervall-Beziehung diente als experimentelles Instrument, um weitere Einsichten in die Interaktion der verschiedenen Ca2+-Transportmechanismen zu bekommen. Die dafür benutzten Reizpausen mit folgender Nachpausenpotenzierung (NPP) und Extrastimulationen mit folgenden postextrastimulatorischen Potenzierungen (PEP) sind intensiv untersucht und erlauben so indirekte Einsichten in die Regulation der Ca2+-transportierenden Prozesse [81,83-86]. Generell gilt folgendes Modell für Kontraktilität und dabei relevante Ca2+-Flüsse [85,87]:

Die entwickelte Kraft ist proportional der aus dem SR freigesetzten Ca2+-Menge. Der Proportionalitätsfaktor ändert sich bei veränderter Ca2+-Sensitivität der Myofilamente. Das SR wird mit Ca2+ durch den Ca2+-Einstrom während der Depolarisation und durch


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einen Anteil des freigesetzten Ca2+, der über die SR Ca2+-ATPase transportiert wird, wieder aufgefüllt. Ein weiterer Anteil des Ca2+ wird über den NaCaEx ins Interstitium transportiert. Im Rattenmyokard ist die Aktivität der SL Ca2+-ATPase zu gering, um signifikant zum Ca2+-Abtransport beizutragen [88]. Während rhythmischer Aktivität sind der Ca2+-Einstrom und -Ausstrom gleich. Extrastimulation bewirkt (wenn sie nicht in der absoluten Refraktärzeit geschieht) das Auftreten einer Extrakontraktion mit reduzierter Amplitude und verkürzter Relaxationszeit. Der Ca2+-Einstrom während der Extrakontraktion ist normal oder supranormal, der Ca2+-Ausstrom reduziert, so daß ein Ca2+-Zugewinn resultiert, der für die nachfolgende Kontraktion genutzt werden kann und somit das Ausmaß der PEP bestimmt. Das Abklingen der Potenzierung von Kontraktion zu Kontraktion ist dann von der Ca2+-Rückbindung ins SR im Verhältnis zum Ca2+-Auswärtstransport über den NaCaEx abhängig [85,86]. Im Rattenherz führen Reizpausen durch das relativ hohe intrazelluläre Na+ zum Ca2+-Einstrom über den NaCaEx, das zusätzliche Ca2+ kann bei intakter Funktion der SR Ca2+-ATPase ins SR transportiert werden, nach Wiederaufnahme der Stimulation resultiert eine Nachpausenpotenzierung. Nach langen Pausen sinkt die intrazelluläre Na+-Konzentration ab, die Transportrichtung des Na+/Ca2+-Austauscher ändert sich, es resultiert ein Ca2+-Auswärtsstrom mit Verlust der Potenzierung nach Wiedereinsetzen der Stimulation [83].

So lassen sich mit Hilfe der intensiv untersuchten Reaktionen auf Reizpausen und Extrastimulation Aussagen über Veränderungen der beteiligten Transportvorgänge [81,89] auch in Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung machen.

Die Aktionspotentialmessungen wurden durchgeführt, um aus der Aktionspotential-charakteristik nach Pausen und Extrastimulation weitere Hinweise auf die beteiligten zellulären Mechanismen zu erhalten. Außerdem sollten mögliche Veränderungen des Aktionspotentials in den chronisch infarzierten Herzen beschrieben werden.

Um zu testen, ob die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies und nachfolgende Lipidperoxidation unter unseren experimentellen Bedingungen auch für die kontraktile Dysfunktion des humanen Myokards bei Hypoxie und Reoxygenierung von Bedeutung ist, wurde die Lipidperoxidation nach Abschluß der Reoxygenierung bestimmt.

Für das Rattenmyokard existiert eine Vielzahl von experimentellen Befunden, die eine signifikante Radikalbildung in Hypoxie und hauptsächlich in den ersten Minuten der Reoxygenierung und dadurch bedingte Schädigung der kontraktilen Funktion nahelegen [31,64,65,68,71,90]. Um die Bedeutung der Lipidperoxidation für die kontraktile Dysfunktion nach Reoxygenierung zu untersuchen und einen möglichen kardioprotektiven Ansatz zu überprüfen, wurde der Radikalfänger Butylhdroxytoluen


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(BHT), der die Radikalbildung nicht beeinflußt, aber als potenter Fänger hauptsächlich von Hydroxylradikalen gilt [91] in einer Gruppe von Rattenpapillarmuskeln zugesetzt.

Eine zweite Gruppe von Rattenpapillarmuskeln wurde mit Histidin behandelt, das als spezifischer Fänger des singlet-Sauerstoffs beschrieben ist [64]. Mit diesen Experimenten sollte geprüft werden, welche Bedeutung dem singlet Sauerstoff für das Auftreten kontraktiler Dysfunktion nach Reoxygenierung zukommt, ob sich mit seiner Ausschaltung eine Mykardprotektion erreichen läßt und ob möglicherweise die klinisch eingesetzte kardioplegische Lösung HTK [16] ihre kardioprotektive Wirkung zu einem Teil über einen antioxidativen Mechanismus entfalten könnte.

Die Kombination von BHT und Histidin wurde getestet, um zu prüfen, ob mit zwei Substanzen, die beide über das Abfangen von reaktiven Sauerstoffspezies wirken, eine zusätzlichen Kardioprotektion im Vergleich zu den Einzelsubstanzen zu erzielen ist.

Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, die kontraktile Funktion von Rattenpapillarmuskeln und humanen Vorhoftrabekeln unter aeroben Bedingungen zu charakterisieren, mit Hilfe von Reizpausen und Extrastimulation und der dadurch ausgelösten Reaktionen weitere indirekte Einsichten in die Regulation der kontraktilen Funktion zu erhalten sowie Veränderungen der Regulation der kontraktilen Funktion unter Hypoxie -als Hauptkomponente einer Ischämie- und anschließender Reoxygenierung darzustellen. Als weitere Komponenten der Ischämie wurden eine zusätzliche Azidose und erhöhte K+-Konzentration in der Hypoxie und deren Einfluß auf das Mechanogramm rhythmisch isometrisch kontrahierender Präparate bzw. deren Einfluß auf Nachpausenkontraktionen und postextrastimulatorische Kontraktionen untersucht. Zusätzlich wurde die Möglichkeit einer Kardioprotektion während Hypoxie und Reoxygenierung durch Einsatz von Fängern reaktiver Sauerstoffspezies geprüft.


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