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 4. Diskussion

4.1. Effekte von Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung auf humane Vorhoftrabekel

Effekte von Hypoxie und simulierter Ischämie auf die kontraktile Funktion

Unter gleichen aeroben Kontrollbedingungen, d.h. vor dem Übergang in Hypoxie bzw. simulierte Ischämie, zeigten sich keine Unterschiede zwischen den Gruppen. Die kontraktile Funktion von humanen Vorhoftrabekeln zeigte während Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung Veränderungen, die unter solchen Bedingungen für verschiedene tierexperimentelle Modelle beschrieben sind [1, 13-15, 19-21].

Nach dem Beginn der Hypoxie bzw. simulierten Ischämie kam es in beiden Gruppen zu einem deutlichen Kraftabfall, nachdem in Gruppe HH zuerst ein Kraftanstieg auftrat, der im Zusammenhang mit der schnellen Spaltung der Kreatinphosphatreserven zu Beginn der Hypoxie, die wiederum zu einer initialen intrazellulären Alkalose führt [13, 19] und damit eine höhere Sensitivität der Myofilamente bedingt, zu erklären ist. Das Fehlen dieses vorübergehenden Kraftanstiegs in HSI kann im Zusammenhang mit dem Auftreten der extrazellulären Azidose erklärt werden. Der extrazelluläre pH-Abfall führt zu einem intrazellulären pH-Abfall, der 30-60% des extrazellulären Niveaus beträgt [78]. Die experimentell erzeugte extrazelluläre Azidose würde einer initial auftretenden intrazellulären Alkalose entgegenwirken, so daß eine zusätzliche Myofilamentsensitivierung nicht entstehen kann. Der weitere Verlauf der Kraftabnahme in den ersten 15 min der Hypoxie bzw. simulierten Ischämie ist vergleichbar und resultiert wahrscheinlich aus dem raschen Abbau der energiereichen Phosphate, was zu einer raschen Anhäufung von anorganischem Phosphat [1, 13, 35] und dadurch zu einer Desensitivierung der Myofilamente für Ca2+ führt [38]. Eine signifikante Kraftabnahme durch Abfall der ATP-Konzentration mit Einschränkung des Kreuzbrückenzyklus ist für die von uns gewählte Hypoxiedauer nicht zu erwarten [13, 35, 39]. Der stärkere Abfall von PF am Ende der simulierten Ischämie gegenüber HH ist durch die zusätzlich negativ inotrope Wirkung der Azidose zu erklären [1, 13, 21, 36, 37]. Die Zunahme von (dF/dtmax)/PF in beiden Gruppen weist ebenfalls auf eine verringerte Sensitivität der Myofilamente für Ca2+ hin [81]. Die Verkürzung von TPF ist mit einem verkürzten Kraftanstieg erklärbar. Der zeitweilige Anstieg von TPF in Gruppe HH kann Hinweis auf ein verzögertes Einsetzen der Relaxation sein.


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Eine zusätzliche Erklärungsmöglichkeit für die Kraftabnahme in Hypoxie und simulierter Ischämie und die Verkürzung des Kraftanstieges ergibt sich aus der beschriebenen Aktionspotentialverkürzung [53], sowie eine direkte Reduktion von ICa durch Abnahme der ATP-Konzentration [100], die zu einem verminderten Ca2+-Einstrom und damit zur verringerten Myofilamentaktivierung führen.

Der zeitweilige Abfall der Relaxationsgeschwindigkeit in HH kann auf einen verlangsamten Abtransport von Ca2+ aus dem Zytosol zurückgeführt werden. Durch die einsetzende Glycolyse kommt es zur verstärkten H+-Produktion [13]. Die H+- Ionen aktivieren den Na+/H+-Austauscher. Dadurch wird intrazellulär Na+ akkumuliert und damit der Ca2+-Abtransport über den Na+/Ca2+-Austauscher vermindert, so daß die Relaxation verlangsamt abläuft [10, 42]. In der Spätphase der Hypoxie führt die anaerobe Glycolyse wahrscheinlich zu einer intrazellulären Azidose und damit zu einer Ca2+-Desensitivierung der Myofilamente [1, 13, 21, 36, 37] und dieses wiederum zur Beschleunigung der Relaxation, sichtbar am gesteigerten (dF/dtmin)/PF. In Gruppe HSI bewirkt die stärkere Azidose, die nach ca. 20 min extrazellulär pH 6,5 erreicht, auch eine verstärkte intrazellulären Azidose (s.o.) und damit eine stärkere Verminderung der Ca2+-Sensitivität der Myofilamente, was zu einer insgesamt beschleunigten Relaxation führt.

Effekte der Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion

In Reoxygenierung folgt die Erholung von PF in Gruppe HH dem Wiederanstieg des pO2. In Gruppe HSI ist, bedingt durch die langsamer zurückgehende Azidose und damit auch langsamere Sensitivitätszunahme der Myofilamente für Ca2+, der Kraftanstieg gegenüber dem pO2-Anstieg verlangsamt. Generell führt der pO2-Wiederanstieg zum Umschalten von der Glycolyse auf aeroben Stoffwechsel, damit wird die H+-Produktion gestoppt, die ATP-Konzentration erhöht und die Konzentration an Pi vermindert [13]. Die Ca2+-Sensitivität nimmt deshalb wieder zu [38]. In HH kann es außerdem zu einer Erhöhung von Cai kommen, da:

1. die Ausschleusung von H+ aus der Zelle über den Na+/H+-Austauscher zum Na+-Einstrom, damit zum Ca2+-Einstrom durch Aktivierung des Na+/Ca2+-Austauschers führt [1, 10, 19, 101];

2. in Reoxygenierung gebildete reaktive Sauerstoffspezies [12, 59-64] zur Lipidperoxidation führen, was in Form der erhöhten TBARS-Konzentration nachweisbar war [81, 98]. Folgeschäden sind Hyperpermeabilität des SL für Ca2+ [10, 19, 63, 64], SR-Schädigung mit Verminderung der Ca2+-Aufnahme [34, 46, 48], Verminderung der Aktivität der SL Ca2+-ATPase [61], Verminderung der Aktivität der Na+-K+-ATPase des


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SL [59, 60] gefolgt von intrazellulärem Na+-Anstieg und damit eine Aktivierung des Na+/Ca2+-Austauschers im “reverse mode“;

3. der Wiederanstieg der ATP-Konzentration im Vergleich zu der Hypoxie eine Zunahme von ICa [9, 19, 100] erzeugt;

4. die intrazelluläre Ca2+-Zunahme außerdem kalziumabhängige Proteasen und Lipasen aktiviert, deren Einwirkung auf Membranen u.a. die Hyperpermeabilität zusätzlich verstärkt [42, 58].

Hinweise auf die höhere Ca2+-Sensitivität zeigen sich am langsameren Kontrahieren und verzögertem Erschlaffen [81]. Die kontinuierliche Abnahme von (dF/dtmax)/PF bedeutet auf einen stärkeren Kraftanstieg im Verhältnis zur Kontraktionsgeschwindigkeit. Die gleichzeitig verlängerte TPF ist mit einem weiteren tonischen Kraftanstieg nach Erreichen von dF/dtmax zu erklären. Diese Form des Kraftanstiegs ist für einen verstärkten und verlängerten transsarkolemmalen Ca2+-Einstrom typisch [83]. Die nach 5 min Reoxygenierung auftretende deutlich langsamere Relaxation in HH ist auf eine Kombination von erhöhter Ca2+-Sensitivität und verlangsamtem Ca2+-Abtransport zurückzuführen. Ursachen sind dabei Schädigung der SR Ca2+-ATPase [34, 46, 48], der SL Ca2+-ATPase [61] und Verminderung des Ca2+-Auswärtstransportes durch den Na+/Ca2+-Austauscher bei erhöhtem intrazellulären Na+ [1, 10, 19]. In HH wurde nur ein Kraftanstieg auf etwa 70 % des aeroben Ausgangsniveaus ohne weitere Normalisierung von Kontraktion und Relaxation erreicht.

Die in HSI gegenüber HH auftretenden Veränderungen in der Reoxygenierung sind am wahrscheinlichsten durch die langsame Korrektur des extrazellulären pH zu erklären. Die besonders in den ersten 10 min der Reoxygenierung in HSI bestehende deutliche extrazelluläre Azidose behindert den H+-Auswärtsstrom über den Na+/H+-Austauscher und hemmt ebenfalls die Aktivität des Na+/Ca2+-Austauschers [101]. Weiterhin wird bei Hemmung des Na+/H+-Austauschers die intrazelluläre Na+-Konzentration gegenüber Gruppe HH wahrscheinlich vermindert sein und damit zusätzlich der Ca2+-Überladung über verminderten Ca2+-Einstrom via Na+/Ca2+-Austauscher vorgebeugt werden [10, 13, 21, 36]. Die Azidose bedingt eine geringere Ca2+-Sensitivität der Myofilamente in HSI im Vergleich zu HH [81].

Die beschriebenen Mechanismen finden ihren Ausdruck im verzögerten Kraftanstieg in HSI gegenüber HH trotz gleichem Verlauf der pO2-Kurven. Der sehr rasch einsetzende Abfall von (dF/dtmax)/PF im Vergleich zu HH ist bei der verzögerten Erholung von PF nur über eine deutliche Reduktion von (dF/dtmax) zu erklären. Da TPF sich in HH und HSI nicht unterschiedlich verhält, kann die Verringerung der


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Kraftanstiegsgeschwindigkeit nicht durch einen mehr tonischen Kraftanstieg erklärt werden. Eine Möglichkeit besteht in einer verringerten und verzögerten Ca2+-Freisetzung. Die gegenüber HH beschleunigte Relaxation zu Beginn der Reoxygenierung in HSI, sichtbar am höheren (dF/dtmin)/PF und an der geringeren RT50 ist ebenfalls mit der durch die Azidose bedingten geringeren Ca2+-Sensitivität der Myofilamente erklärbar [1, 81].

Im Gegensatz zu HH wird in HSI in der späten Phase der Reoxygenierung der normoxische Kontrollwert von PF wieder erreicht. Der extrazelluläre pH ist ebenfalls wieder nahezu auf dem Ausgangsniveau. Dabei handelt es sich jedoch nicht um eine vollständig normalisierte kontraktile Funktion, weil weiterhin Parameter von Kontraktion und Relaxation verändert bleiben (verlängerte TPF, geringeres (dF/dtmax)/PF, geringeres (dF/dtmin)/PF und verlängerte RT50 gegenüber den normoxischen Werten, ohne signifikanten Unterschied zu HH).

Es ist bekannt, daß die schnelle Korrektur einer Azidose zu einem positiv inotropen Effekt führen kann [102]. Nach Aufheben der extrazellulären Azidose entsteht ein transsarkolemmaler H+-Gradient, der über den wieder aktivierbaren Na+/H+-Austauscher zum Nai-Anstieg und darauffolgend über den desinhibierten Na+/Ca2+-Austauscher zur relativen Zunahme des transsarkolemmalen Ca2+-Stromes und damit zu einer mehr tonischen Kraftzunahme (sichtbar am verlängerten TPF und verringertem (dF/dtmax)/PF) führt. Die gleichzeitig verlangsamte Relaxation entsteht durch Verringerung der Ca2+-Ausschleusung über den Na+/Ca2+-Austauscher bei wahrscheinlich zusätzlich durch reaktive Sauerstoffspezies gestörter Funktion von SL Ca2+-ATPase [61] und SR Ca2+-Transport [34, 46, 48, 58].

Die verlangsamte Relaxation und der zu Beginn der Relaxation auftretende Anstieg der Grundspannung sind typische Zeichen für eine Ca2+-Überladung der Zellen [46], die über Aktivierung von Ca2+-abhängigen Proteasen und Lipasen zur weiteren Membranschädigung führen kann [42, 72].

Kraft-Intervall-Beziehungen

Zur exakteren Charakterisierung der Bedeutung der SR-Funktion in den humanen Vorhoftrabekeln wurde der Effekt von Reizpausen und Extrastimulation verwendet [103]. Die hohe Nachpausenpotenzierung (NPP) relativ zur vorhergehenden rhythmischen Kontraktion, auch nach langer Pausendauer, weist auf eine wesentliche Rolle des SR bei der Ca2+-Regulation in den humanen Vorhoftrabekeln hin. Dabei ist das Ausmaß der NPP von der Ca2+-Aufnahme des SR und von dem spontanen Release abhängig [83]. Unter normoxischen Kontrollbedingungen waren die NPP in HH und HSI


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nicht verschieden. Die Zunahme in Hypoxie ist unter der Annahme einer gut erhaltenen SR-Funktion bei verminderter Ca2+-Sensitivität der Myofilamente für Ca2+ zu erklären. Unter den experimentellen Bedingungen mit oben beschriebener Reizfrequenz und Ca2+-Konzentration würde eine Desensitivierung der Myofilamente mit Rechtsverschiebung der sigmoiden Kraft-Kalzium-Kurve zur Verlagerung in den flacheren Teil der Kurve führen. Bei gleicher Ca2+-Speicherung während der Reizpausen wie unter normoxischen Bedingungen bewirkt die verstärkte Ca2+-Ausschüttung eine Verlagerung in den steileren Abschnitt der sigmoiden Kurve und damit eine gegenüber der vorhergehenden rhythmischen Kontraktion deutlich erhöhte NPP [81, 83]. Dieser Effekt ist besonders deutlich in HSI, weil durch die zusätzliche Azidose mit einer besonders niedrigeren Ca2+-Sensitivität zu rechen ist.

Am Ende der Reoxygenierung war in beiden Gruppen keine Potenzierung der Nachpausenkontraktionen sichtbar, d.h. die spontane Ca2+-Ausschüttung aus dem SR während der Pausen übersteigt die Rückspeicherung ins SR [103]. Mögliche Ursachen sind die Störung der Funktion der Ca2+-Kanäle des SR [104] mit verstärktem Ca2+-Ausstrom aus dem SR während der Pausen oder eine verminderte Ca2+-Aufnahme ins SR durch Verminderung der SR-Ca2+-ATPase-Aktivität durch die auch in unseren Experimenten nachgewiesenen Sauerstoffradikale [81]. Weitere Merkmale einer geschädigten SR-Funktion waren die verzögerte Relaxation, zeitweiliger Anstieg der diastolischen Grundspannung, mechanischer Alternans und das Auftreten von Spontanaktivität.

Die postextrastimulatorische Potenzierung entsteht nach Extrastimulation durch verstärkt freigesetztes Ca2+ während des AP’s der Extrastimulation, das jedoch nicht zur Aktivierung der Extrakontraktion genutzt wird. Dieses “Extra- Ca2+“ wird statt dessen sofort in das SR aufgenommen und erzeugt als zusätzlich freigesetztes Ca2+ bei der nachfolgenden Kontraktion die PEP [84]. Für das Ansteigen der PEP in Hypoxie und simulierter Ischämie sind die gleichen Mechanismen, wie für die NPP oben beschrieben, verantwortlich zu machen. Die hohe PEP in Hypoxie und simulierter Ischämie ist weiterhin Ausdruck für eine gut erhaltene Aufnahme- und Speicherfunktion des SR trotz reduzierter O2-Versorgung, der Abfall der ATP-Konzentration war offenbar nicht so ausgeprägt, daß die notwendige freie Energie für die Aktivität des SR Ca2+-Transports unterschritten wurde.

Nach der Reoxygenierung erreicht die PEP in HH das Kontrollniveau. Der Abfall von PF der PEP in HSI im Vergleich zu den normoxischen Werten kann möglicherweise mit einer Schädigung der SR Ca2+-ATPase durch den kombinierten Effekt von simulierter Ischämie und Reoxygenierung erklärt werden [1, 105].


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Insgesamt kommt es zwar nach Reoxygenierung in HSI zu einer vollständigen Wiederherstellung der isometrischen Kraftentwicklung, die Parameter von Kontraktion und Relaxation sowie das Verhalten von NPP und PEP weisen auf eine deutliche Störung der Homeostase hin. Die isometrische Kraftentwicklung kann also nicht als alleiniges Merkmal für die Funktionswiederherstellung nach Ischämie und Reoxygenierung beurteilt werden.

4.2. Effekte von Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung auf Rattenpapillarmuskeln

Effekte von Hypoxie und simulierter Ischämie auf die kontraktile Funktion

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche mit Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung an Rattenpapillarmuskeln zeigen prinzipiell die typischen Veränderungen der kontraktilen Funktion, die bereits für die humanen Vorhoftrabekel beschrieben wurden. Der schnelle pO2-Abfall (Abb. 2) bewirkte in beiden Gruppen von Rattenpapillarmuskeln einen raschen Abfall von PF, der allerdings in RSI in den ersten 10 Minuten der Hypoxie langsamer verlief (Abb. 7). Die größere isometrische Kraftentwicklung in RSI im Vergleich zu RH kann entweder durch eine relativ größere Ca2+-Freisetzung oder eine relativ höhere Ca2+-Sensitivität der Myofilamente bedingt sein [85, 87]. Ein verstärkter Ca2+-Einstrom ist in dieser Gruppe unwahrscheinlich, da die erhöhte extrazelluläre K+-Konzentration eine Membrandepolarisation, eine AP-Verkürzung und damit einen eher verringerten Ca2+-Einstrom bewirkt [10, 21, 45, 55]. Die zusätzliche extrazelluläre Azidose in RSI im Vergleich zu RH kann zu einem intrazellulären pH-Abfall führen [78], während die erhöhte extrazelluläre K+-Konzentration einen K+-Einstrom und H+-Ausstrom zur Folge hat. Der H+-Auswärtstransport im Austausch gegen K+ scheint zu Beginn der simulierten Ischämie gegenüber dem H+-Einstrom durch den extrazellulären pH-Abfall zu überwiegen und somit eine intrazelluläre Alkalose mit Erhöhung der Ca2+-Sensitivität der Myofilamente zu bedingen [1, 13, 21, 36, 37].

Der weitere Verlauf der Kraftabnahme in beiden Gruppen ist wahrscheinlich wie auch bei den humanen Vorhoftrabekeln auf einen raschen Abbau der energiereichen Phosphate mit Anhäufung von anorganischem Phosphat [1, 13, 35] und damit eine Desensitivierung der Myofilamente für Ca2+ zurückzuführen [38]. Die Hypoxiedauer von 30 min macht eine signifikante Kraftabnahme durch Abfall der ATP-Konzentration mit Einschränkung des


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Kreuzbrückenzyklus unwahrscheinlich [13, 35, 39]. Die stärker verminderte isometrische Kraftentwicklung in der späten Phase der simulierten Ischämie gegenüber der Hypoxie ist durch die zusätzliche negativ inotrope Wirkung der Azidose zu erklären [1, 13, 21, 36, 37]. Die Zunahme von (dF/dtmax)/PF und die Abnahme von TPF weisen ebenfalls auf eine Verkürzung des Kraftanstieges als Ausdruck der verminderten Ca2+-Sensitivität der Myofilamente hin [81]. In den ersten 10 min der Hypoxie ist dieser Effekt im Gegensatz zur simulierten Ischämie mit erhöhter extrazellulärer K+-Konzentration deutlicher als Ausdruck der stärkeren Desensitivierung der Myofilamente für Ca2+ sichtbar [81].

Die Kraftabnahme und Verkürzung des Kraftanstieges durch die Hypoxie ist außerdem mit der registrierten AP-Verkürzung, die einen verminderten Ca2+-Einstrom und damit eine verringerte Aktivierung der Myofilamente bewirkt, erklärbar [1, 10, 45 ,46]. Die während Hypoxie und simulierter Ischämie zunehmende intrazelluläre H+-Konzentration reduziert zusätzlich die Öffnungswahrscheinlichkeit der Ca2+-abhängigen Ca2+-Kanäle des SR, was wiederum zum reduzierten Ca2+-Einstrom beiträgt [45]. Die nach 5 min Hypoxie beobachtete Depolarisation des Ruhepotentials (Abb. 8) stimmt mit der beschriebenen frühen Phase des K+-Ausstroms überein [10, 54]. Da in Hypoxie im Gegensatz zu einer Ischämie die Perfusion erhalten bleibt, ist die Depolarisation nur vorübergehend zu beobachten [10].

Nach 20 min Hypoxie konnten wir anhand des reduzierten Ruhemembranpotentials Hinweise auf einen in der Literatur beschriebenen zweiten Anstieg des K+-Auswärtsstromes beobachten [54]. Eine durch die erhöhte intrazelluläre H+-Konzentration bedingte Hemmung des K+-Ausstromes [106], die zur Verlängerung der Repolarisation des AP führen sollte, scheint gegenüber dem Effekt des hypoxiebedingten erhöhten K+-Auswärtsstromes unter unseren experimentellen Bedingungen zurückzutreten.

Der zeitweilige Abfall der Geschwindigkeit der späten Relaxation in beiden Gruppen, sichtbar an der verlängerten RT97-RT50, kann auf einen verlangsamten Abtransport von Ca2+ aus dem Zytosol über den NaCaEx zurückgeführt werden [81, 89, 92]. Dieser Prozeß setzt erst später als die Ca2+-Rückbindung in das SR ein, weil dazu während des AP das Umkehrpotential unterschritten worden sein muß. Die durch die Glycolyse bedingte H+-Produktion [13] bewirkt eine Aktivierung des Na+/H+-Austauschers, die intrazelluläre Na+-Konzentration steigt, was den Ca2+-Abtransport über den NaCaEx verringert und damit die Relaxation verlangsamt [10, 42, 81]. Die stärkere Azidose in RSI in der Spätphase der simulierten Ischämie verursacht eine stärkere Desensitivierung der Myofilamente für Ca2+ [1, 13, 26, 21, 36, 37, 81] und damit eine Beschleunigung der Relaxation [81] im Vergleich zu RH , sichtbar an der signifikant kürzeren RT97-RT50.


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Im Vergleich zu den humanen Vorhoftrabekeln hatten Hypoxie und simulierte Ischämie bei den Rattenpapillarmuskeln einen stärkeren Einfluß auf die isometrische Kraftentwicklung und geringere Auswirkungen auf die Relaxation. Die unterschiedliche Ausstattung der Zellen mit Ca2+- regulierenden Prozessen und deren Empfindlichkeit gegenüber Hypoxie und Reoxygenierung kommen als Ursache in Betracht.

Effekte der Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion

In Reoxygenierung war die Erholung von PF gegenüber dem Wiederanstieg des pO2 in beiden Gruppen verzögert. In der Anfangsphase der Reoxygenierung zeigte sich in RSI eine signifikant niedrigere Kraftentwicklung als in RH, die wahrscheinlich auf die weiterhin bestehende intrazelluläre Azidose mit daraus folgender niedrigerer Ca2+-Sensitivität der Myofilamente [21, 36, 37, 81] zurückzuführen ist. In beiden Gruppen schaltet der Stoffwechsel durch den Wiederanstieg des pO2 von anaerober Glycolyse auf aerobe Energiegewinnung um, die ATP-Konzentration kann sich normalisieren, die H+-Produktion aus der Glycolyse wird beendet und die Pi-Konzentration sinkt [13] wie auch bei den humanen Vorhoftrabekeln. Damit steigt schon zu Beginn der Reoxygenierung in RH die Ca2+-Sensitivität der Myofilamente wieder an [38].

Eine Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration ist aus den für die humanen Vorhoftrabekel beschriebenen Gründen möglich [1, 9, 10, 12, 19, 46-48, 58-64]. Hinweise auf die gesteigerte Ca2+-Sensitivität der Myofilamente zusammen mit einem erhöhten Ca2+-Einstrom sind die Verlangsamung von Kontraktion und Relaxation [81]. Die Abnahme von (dF/dtmax)/PF unter das normoxische Kontrollniveau weist auf einen stärkeren Anstieg von PF im Vergleich zur Kontraktionsgeschwindigkeit hin. Wie bei den humanen Vorhoftrabekeln tritt als Ausdruck eines verlängerten transsarkolemmalen Ca2+-Einstromes eine mehr tonische Kontraktion mit Verlängerung von TPF auf [83].

In RH resultiert die verzögerte Relaxation, sichtbar an der verlängerten RT50 und RT97-RT50, wahrscheinlich aus der erhöhten Ca2+-Sensitivität der Myofilamente und einem verlangsamten Ca2+-Abtransport durch Schädigung der SR-Ca2+-ATPase [34, 46, 48], SL-Ca2+-ATPase [61] sowie einem verminderten Ca2+-Auswärtstransport über den NaCaEx. Die Ca2+-Überladung zeigt sich besonders deutlich an der temporären Grundspannungszunahme (Abb. 9).

Als Ausdruck der Korrektur der K+-Konzentration tritt während der Reoxygenierung eine partielle Normalisierung der AP-Dauer auf [54]. In RSI verläuft der Wiederanstieg von PF gegenüber RH verzögert, was sich durch die noch bestehende Azidose und damit verbundene geringere Ca2+-Sensitivität erklären läßt [81].


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Das in der späten Reoxygenierung signifikant niedrigere (dF/dtmax)/PF und die höhere TPF weisen auf eine mehr tonische Kraftzunahme hin [81], die durch eine relative Zunahme des transsarkolemmalen Ca2+-Einstromes über Aktivierung des Na+/Ca2+-Austauscher bei erhöhtem Nai durch Aktivierung des Na+/H+-Austauschers nach Aufheben der extrazellulären Azidose [101] bedingt ist. Die höhere (dF/dtmin)/PF zu Beginn der Reoxygenierung in RSI gegenüber RH reflektiert die geringere isometrische Kraftentwicklung in RSI bei wahrscheinlich geringen Unterschieden in der Relaxationsgeschwindigkeit.

Als Ausdruck des gestörten Ca2+-Rücktransportes und damit einer möglichen Schädigung der SR Ca2+-ATPase [34, 46, 48, 58] und der SL Ca2+-ATPase [61] durch reaktive Sauerstoffspezies ist in RSI wie auch in RH die Relaxation am Ende der Reoxygenierung verlangsamt, ohne daß signifikante Unterschiede zwischen RSI und RH auftreten.

Kraft-Intervall-Beziehungen

Zur Charakterisierung der Bedeutung der SR-Funktion für die Rattenpapillarmuskeln wurde wiederum der Effekt von Extrastimulation und Reizpausen verwendet [103]. Die nach Extrastimulation unter aeroben Kontrollbedingungen auftretenden postextrastimulatorischen Potenzierungen waren in den Gruppen mit der extrazellulären K+-Konzentration von 5 mM und 30 mM nicht verschieden (Abb. 10). Das verlängerte Aktionspotential nach Extrastimulation in Gruppe RH (Abb. 11) weist auf einen verstärkten Ca2+-Einstrom hin [84, 86].

Das durch Extrastimulation zusätzlich freigesetzte Ca2+ wird ins SR transportiert [84] und in beiden Gruppen resultiert nach dem nächsten Reiz eine postextrastimulatorische Potenzierung als Ausdruck einer intakten SR-Funktion [89]. Die erhaltene PEP in Hypoxie und simulierter Ischämie ist auf eine gut erhaltenen Funktion der SR Ca2+-ATPase trotz reduzierter O2-Versorgung zurückzuführen. Die vorhandene freie Energie der ATP-Hydrolyse kann so, trotz Abfall der ATP-Konzentration, den für die Aktivität der SR Ca2+-ATPase notwendigen Wert nicht unterschritten haben. Die in den rhythmischen Kontraktionen während Hypoxie und simulierter Ischämie sichtbaren funktionellen Veränderungen sollten also eher durch Veränderungen der Ca2+-Sensitivität der Myofilamente als durch den beschriebenen Energiemangel [13] bedingt sein.

Nach Reoxygenierung ist PF der PEP nicht signifikant vom aeroben Kontrollniveau verschieden. Die Zunahme der isometrischen Kraftentwicklung der PEC nach Reoxygenierung in RSI ist unter Annahme einer gut erhaltenen SR-Funktion mit einem


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erhöhtem transsarkolemmalen Ca2+-Einstrom, der sich ebenfalls in den Parametern der rhythmischen isometrischen Kontraktionen manifestiert (s.o.), zu erklären.

Die hohe Nachpausenpotenzierung relativ zur vorangehenden rhythmischen Kontraktion weist auf eine große Bedeutung des SR für Ca2+-Freisetzung und -Rückbindung im Rattenmyokard unter aeroben Kontrollbedingungen hin. Nach einer Pausendauer zwischen 30 s und 120 s wurde eine signifikant höhere NPP relativ zu den vorhergehenden rhythmischen Kontraktionen bei einer extrazellulären K+-Konzentration von 5 mM gegenüber 30 mM gefunden. Die Erhöhung der extrazellulären K+-Konzentration verursacht eine Depolarization des Ruhemembranpotentials [45, 54] und damit eine Reduktion des Na+-Einstromes [107] und eine AP-Verkürzung. Die anzunehmende Verringerung von Nai, das normalerweise im Rattenmyokard relativ hoch ist [83] bewirkt eine Verminderung des Ca2+-Einstromes während der Reizpausen [83] über den NaCaEx mit anschließender Ca2+-Speicherung in das SR und kann so zu den reduzierten NPP relativ zu den vorangehenden rhythmischen Kontraktionen in den Experimenten mit 30 mmol/l K+ verglichen mit 5 mmol/l K+ führen.

Nach langen Reizpausen sinkt Na+i durch die andauernde Aktivität der Na+/K+-ATPase ebenfalls [83], die Aktivität des NaCaEx wird verringert und damit der Ca2+- Einstrom über den NaCaEx gehemmt [108], was sich in der Verlängerung der späten Repolarisation in RH nach einer Reizpause von 120 s zeigt (Abb. 13). Die Zunahme der NPP relativ zur vorhergehenden rhythmischen Kontraktion in Hypoxie ist mit der verringerten Ca2+-Sensitivität bei gut erhaltener SR-Funktion zu erklären wie bereits für die humanen Vorhoftrabekel beschrieben. In Reoxygenierung nach Hypoxie und simulierter Ischämie ausgelöste Nachpausenkontraktionen unterschieden sich nicht signifikant von den zugehörigen NPP unter aeroben Kontrollbedingungen.

Generell zeigten sich vergleichbare funktionelle Veränderungen in Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung zwischen den humanen Vorhoftrabekeln und den Rattenpapillarmuskeln. Bei den Rattenpapillarmuskeln war aber die isometrische Kontraktion durch Hypoxie, simulierte Ischämie und Reoxygenierung im Vergleich zu den humanen Vorhoftrabekeln stärker geschädigt während nur eine relativ geringe Beeinflussung von Nachpausenkontraktionen und postextrastimulatorischen Potenzierungen auftrat.


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4.3. Biochemische Parameter, Aktionspotential und kontraktile Funktion von hypertrophiertem Myokard der Ratte mit chronischem Myokardinfarkt

Die SR Ca2+-ATPase-Aktivität gemessen als oxalatstimulierte Ca2+-Aufnahme in SR-Vesikel und das Aktionspotential repräsentieren variable zellulären Mechanismen, die zur Veränderung der kontraktilen Funktion des hypertrophierten Myokards im Vergleich zu scheinoperierten Tieren und Kontrollratten beitragen können. Deren Messung und die Kraft-Intervall-Beziehungen sind deshalb geeignet, pathophysiologische Mechanismen näher zu charakterisieren. Biochemische Messungen der Gesamtaktivität der Kreatinkinase und Isoenzymverteilung der Kreatinkinase, der antioxidativen Enzyme Glutathionperoxidase und Superoxiddismutase und der Lipidperoxidkonzentration sollten weitere Einblicke in mögliche zelluläre Veränderungen des hypertrophierten Myokards mit Relevanz für die kontraktile Funktion unter aeroben Bedingungen, in Hypoxie und Reoxygenierung geben. Das chronisch infarzierte Rattenherz war als klinisch relevantes Modell für linksventrikuläre Dysfunktion mit guten Übereinstimmungen zu pathophysiologischen Untersuchungen am Menschen gewählt worden [109].

Die erwartete Hypertrophieentwicklung in der chronischen Phase nach Myokardinfarkt [97, 110-112] war ebenfalls in den linksventrikulären Papillarmuskeln nachweisbar, was sich als signifikant höherer Durchmesser der Papillarmuskeln in Gruppe CI gegenüber Gruppe SO zeigte. Die Papillarmuskeln konnten deshalb als repräsentativ für hypertrophiertes linksventrikuläres Myokard angesehen werden.

Oxalat-stimulierte Ca2+-Aufnahme in SR Vesikel

Die geringere oxalat-stimulierte Ca2+-Aufnahme in SR-Vesikel, die in CI gegenüber SO gemessen wurde (Abb. 16), kann auf eine geringere Anzahl von SR-Ca2+-ATPase Molekülen, eine verringerte Transportaktivität der SR-Ca2+-ATPase, eine Zunahme des Phospholambans oder eine verringerte Phospholambanphosphorylierung zurückzuführen sein [47]. Die Messung der oxalat-stimulierten Ca2+-Aufnahme unter Zusatz des Proteinkinase-Inhibitor-Peptides bzw. des Proteinkinase-Aktivator-Peptides diente zur Einschätzung der in-vivo vorhandenen Phosphorylierung [94]. Da sich zwischen den beiden Gruppen keine signifikanten Unterschiede bezüglich der proteinkinase-aktivierten relativ zur proteinkinase-inhibierten Ca2+-Aufnahme zeigten, ist eine vergleichbare in-vivo Phosphorylierung der SR Ca2+-ATPase anzunehmen. Damit sind Unterschiede in


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der Phospholambankonzentration bzw. in der in vivo Phospholambanphosphorylierung unwahrscheinlich [47]. Die geringere oxalat-stimulierte Ca2+-Aufnahme in die SR-Vesikel kann also direkt mit einer niedrigeren Expression der SR Ca2+-ATPase nach Myokardinfarkt erklärt werden.

Eine Abnahme der Ca2+-Transportaktivität des SR ist für verschiedene experimentelle Hypertrophiemodelle beschrieben worden [87]. Für hypertrophiertes Myokard in der chronischen Phase nach Infarkt ist ebenfalls eine Abnahme der Ca2+-Transportrate des SR, wie sie auch in unserem Modell gemessen wurde, bekannt [113]. Die verminderte SR Ca2+-ATPase Aktivität nach Myokardinfarkt betrifft allerdings nicht das gesamte Herz im gleichen Umfang. In rechtsventrikulärem und linksventrikulärem Myokard existieren nach Infarkt unterschiedliche SR Ca2+-Transportaktivitäten [114]. Die Unterschiede können durch verschiedene Einflüsse des sogenannten "remodeling" [115], das mit der Hyprtrophieentwicklung verbunden ist und zu biochemischen und molekularen Veränderungen in Abhängigkeit von der Infarktgröße führt [116, 117], erklärt werden. Außerdem sind Inhomogenitäten der Expression der SR Ca2+-ATPase mRNA im linksventrikulären Myokard in der Infarktrandzone und dem übrigen Myokard mit einer stärker verminderten Expression in der Infarktrandzone bekannt [118]. Da in unseren Experimenten die Bestimmung der oxalat-stimulierten Ca2+-Aufnahme in linksventrikulären Präparationen aus der freien Ventrikelwand nahe dem Septum und damit entfernt vom Narbengewebe erfolgte, ist kein Einfluß der geringeren Aktivität im Infarktrandgebiet anzunehmen. Die geringere Expression der SR Ca2+-ATPase mRNA ist dabei mit einer erhöhten Expression der mRNA des Na+/Ca2+-Austauschers assoziiert [118]. Zur funktionellen Relevanz dieser Modifikationen auf mRNA-Niveau für die kontraktile Funktion in der chronischen Phase nach Myokardinfarkt treffen diese Autoren keine Aussage.

Eine Abnahme der SR Ca2+-ATPase Aktivität tritt nicht nur unter Bedingungen experimenteller Hypertrophieinduktion auf, sondern auch in humanem Myokard bei klinisch manifester Herzinsuffizienz [119, 120]. Daraus läßt sich eine klinische Relevanz des gestörten Ca2+-Transportes im humanen Myokard für die kardiale Dysfunktion bei manifester Herzinsuffizienz ableiten [119, 120].

Kreatinkinasesystem, GSH-Px und SOD

Verschiebungen des CK Isoenzymmusters mit Erhöhung der fetalen Isoenzyme MB und BB, die in unseren Experimenten beobachtet wurden (Abb. 17), gibt es bei verschiedenen Hypertrophieformen [97, 121, 122], so auch bei Hypertrophie nach Myokardinfarkt [97, 111]. Die funktionelle Bedeutung dieser Veränderungen blieb allerdings unklar.


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Nascimben et al. konnten in humanem Myokard von Patienten mit terminaler Herzinsuffizienz eine Abnahme der Gesamtaktivität der Kreatinkinase, des Kreatingehalts und des mitochondrialen CK-Isoenzyms bei gleichzeitiger Zunahme des CK-MB Isoenzyms zeigen [123]. Diese Veränderungen wurden mit einer weniger schnellen ATP-Resysnthese und damit einer geringeren Energiereserve in Zusammenhang gebracht [123]. Die Modifikationen im Kreatinkinasesystem können somit direkt klinische Bedeutung für das Fortschreiten der Herzinsuffizienz und die geringere Toleranz der Patienten gegenüber steigender Belastung haben [123].

Ein höheres antioxidatives Potential im hypertrophierten Myokard, das sich in CI durch höhere Superoxiddismutase- und Glutathionperoxidaseaktivitäten gegenüber SO manifestierte (Abb. 18), zeigt sich auch in hypertrophiertem Myokard nach experimenteller Aortenstenose [124, 125]. Die nicht mehr signifikante Erhöhung der MDA-Konzentration in CI im Vergleich zu SO weist auf eine Normalisierung der Malondialdehydkonzentration mit zunehmender Dauer nach Myokardinfarkt hin, da eine starke Zunahme der MDA-Konzentration als Ausdruck der Lipidperoxidation im ischämischen Gewebe bei Auftreten des akuten Myokardinfarktes bekannt ist [126]. Da zu diesem Zeitpunkt GSH-Px- und SOD-Aktivitäten eher vermindert sind [126], kann der Anstieg dieser Enzymaktivitäten in der chronischen Phase nach Myokardinfarkt als adaptive Antwort auf die gesteigerte Lipidperoxidation angesehen werden. Mit dem Anstieg der antioxidativen Kapazität der Zellen kommt es dann wiederum zu einer Abnahme der Lipidperoxidation.

Kontraktile Funktion hypertrophierter Papillarmuskeln unter aeroben Bedingungen

Die kontraktile Funktion der Papillarmuskeln nach Scheinoperation war vergleichbar mit der von Papillarmuskeln unbeeinflußter Ratten [89]. Die Kontraktilität der hypertrophierten Papillarmuskeln zeigte sich gegenüber SO deutlich gestört (Tabelle 4), wie bereits in früheren Untersuchungen beschrieben [110]. Die Abnahme der Kontraktionsgeschwindigkeit in CI kann auf eine Zunahme der langsamen V3-Myosin Isoform, die für dieses Modell bekannt ist [112, 127], zurückzuführen sein. In der freien Wand des linken Ventrikels und in den linksventrikulären Papillarmuskeln tritt im Gegensatz zum Septum interventriculare und rechtsventrikulärem Myokard eine stärkere Verringerung der schnellen V1-Isomyosin, die mit einer stärkeren Zunahme der langsamen V3-Myosin-Isoform verbunden ist, nach experimentellem Myokardinfarkt auf [127], so daß der signifikante Abfall des Vmax-Äquivalentes in den isometrischen Kontraktionen linksventrikulärer Papillarmuskeln in CI nicht als repräsentativ für das


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gesamte Ventrikelmyokard nach experimentellem Infarkt angesehen werden kann. Die Verschiebungen im Myosin-Isoenzymmuster wurden von Geenen et al. drei Wochen nach Infarkt im Rattenmyokard beschrieben und zeigten 11 Wochen nach der Koronarligatur keine weiteren Veränderungen [127]. Das geringere Vmax-Äquivalent der isometrischen Kontraktionen 6 Wochen nach Myokardinfarkt kann somit auf die Verschiebung von der schnellen V1-Isomyosin- zur langsamen V3-Isomyosin-Form zurückgeführt werden [127, 129]. Das signifikant niedrigere Vmax-Äquivalent weist dabei auf eine geringere maximale Verkürzungsgeschwindigkeit der Myofilamente und eine niedrigere myofibrilläre ATPase-Aktivität hin [128-130].

Im Zusammenhang mit der größeren TPF ist eine Verlängerung der Ca2+-Transienten, die für hypertrophiertes Myokard von Infarktratten beschrieben ist, von Interesse [131]. Da die Kinetik der zytosolischen Ca2+-Konzentration aber von der Konkurrenz verschiedener Ca2+-Flüsse abhängt, bleibt die Frage offen, welche Ca2+- Freisetzungs- oder Rückbindungsprozesse betroffen sind und die Verlängerung der Ca2+-Transienten bewirken. Die Verlängerung der Ca2+-Transienten und auch die höhere TPF können Ausdruck einer verzögerten Ca2+-Rückbindung sein, die im Rattenmyokard hauptsächlich über die Aktivierung der SR Ca2+-ATPase geschieht [132]. Die in unserem Modell beobachtete Verminderung der Ca2+-ATPase-Aktivität des SR kann so die größere TPF und ebenfalls eine Verlangsamung besonders der frühen Relaxation, was sich an der höheren RT50 zeigt, bedingen. Ein weiterer funktioneller Parameter für das Zusammenspiel von SR Ca2+-ATPase und Na+/Ca2+-Austauscher des SL ist das Abklingen der Potenzierungen der NPP. Das in der Pause für die Potenzierung zusätzlich in das SR aufgenommene Ca2+ kann nach Wiedereinsetzen der rhythmischen Stimulation durch den Na+/Ca2+-Austauscher aus der Zelle entfernt oder durch die SR Ca2+-ATPase rückgebunden und damit für die nachfolgende Kontraktion zur Verfügung gestellt werden [84]. Die beobachtete relativ niedrige SR Ca2+-ATPase-Aktivität ist also mit einem schnelleren Abklingen der Potenzierung verbunden [89], was sich in CI gegenüber SO zeigte. Ein erhöhter transsarkolemmaler Ca2+-Ausstrom über den Na+/Ca2+-Austauscher gegenüber der Rückbindung ins SR mittels der SR Ca2+-ATPase kann außerdem zu einer Abnahme der Amplitude der Nachpausenpotenzierung und zu einer höheren PEP führen, was für das gleiche experimentelle Modell in Abhängigkeit von der Infarktgröße beschrieben ist [110].

Das Auftreten der PEPmax nach einem Extrareizintervall von 300 ms in CI gegenüber 200 ms in SO zwischen vorhergehender rhythmischer Stimulation und Extrastimulation könnte Ausdruck einer verminderten Ca2+-Rückbindung ins SR oder einer geringeren Ca2+-Ausschüttung nach kurzem Stimulationsintervall [86] in der Gruppe mit


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Myokardinfarkt sein. Die reduzierte Amplitude der Extrakontraktion bei gleichem Stimulationsintervall [110] weist darauf hin, daß nicht nur die Ca2+-Rückbindung, sichtbar am schnelleren Abklingen der Potenzierungen, sondern auch die Ca2+-Freisetzung im hypertrophierten Myokard nach Infarkt gestört ist. Eine mögliche Erklärung für die verminderte Ca2+-Freisetzung ist die Reduktion der Anzahl Ca2+-abhängiger Ca2+-Kanäle des SR, die in Form verminderter mRNA- und Proteingehalte des Ryanodinrezeptors im hypertrophierten Myokard nach experimenteller Aortenstenose nachgewiesen wurde [133]. Dieser Mechanismus einer verminderten Ca2+-Freisetzung scheint ebenfalls im humanen Myokard bei verschiedenen Formen der Myokardiopathien, so auch bei der ischämischen Myokardiopathie eine Rolle zu spielen [134]. Die Frage, ob die Verminderung der Anzahl Ca2+-abhängiger Ca2+-Kanäle Ursache oder Folge der sich entwickelnden Herzinsuffizienz oder Epiphänomen bei den Myokardiopathien ist, läßt sich anhand der beschriebenen Untersuchungen allerdings nicht klären.

Die Verlängerung des Aktionspotentials, die dazu führt, daß ein Teil der Ionenkanäle noch inaktiviert ist, kann zusätzlich zum verminderten Ca2+-Einstrom bei sehr kurzen Stimulationsintervallen beitragen.

Zelluläre elektrische Aktivität in CI und SO

Die in den Kardiomyozyten der hypertrophierten Papillarmuskeln in CI gegenüber SO gemessene geringere Aktionspotentialamplitude (Tabelle 4) ist Ausdruck eines verminderten Na+-Einstromes während des AP mit vermindertem "overshoot" oder eines geringeren Ruhemembranpotentials. Da in unseren Experimenten, wie auch in der Literatur beschrieben [135], keine signifikanten Änderungen des Ruhemembranpotentials auftraten, kann die verminderte AP-Amplitude nur Ausdruck eines geringeren Na+-Einstromes sein. Eine exaktere Charakterisierung des Na+-Einstromes durch dV/dtmax [136] war in unseren Experimenten durch den auftretenden Stimulationsartefakt und die geringe Abtastfrequenz nicht möglich. Mittels patch-clamp Technik konnte in der Literatur aber ein verminderter Na+- Strom in Kardiomyozyten der epikardialen Infarktrandzone 5 Tage nach experimentellem Infarkt gezeigt werden [137]. Die geringere AP-Amplitude in den Papillarmuskeln 6 Wochen nach Infarkt bedeutet, daß der niedrigere INa auch in unserem Modell längere Zeit nach dem akuten Myokardinfarkt eine Rolle spielt und eher Ausdruck der durch das "remodeling" [115, 116] bedingten Veränderungen als direkt durch den Infarkt bedingten Störungen der Ionenleitfähigkeit ist.


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Die größeren APD25, APD50 und APD90 in CI gegenüber SO zeigen eine verlängerte Repolarisation des Aktionspotentials in den Kardiomyozyten in der chronischen Phase nach Myokardinfarkt an. Repolarisationsverlängerungen sind als generelles Phänomen im hypertrophierten Myokard [138, 139], so auch für ein experimentelles Modell der infarktassoziierten Hypertrophie [140] beschrieben. Die verzögerte Repolarisation beruht dabei auf einem verminderten Kaliumauswärtsstrom (Ito-f und Ito-s) und nicht auf Veränderungen im L-Typ Kalziumstrom [140].

4.4. Effekte von Hypoxie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion von Papillarmuskeln von Infarktratten und scheinoperierten Tieren

Nach Einsetzen der Hypoxie ist die Abnahme von PF in SO (Abb. 19) primär auf eine geringere Ca2+-Sensitivität der Myofilamente zurückzuführen, die durch einen Anstieg des anorganischen Phosphates bedingt durch den schnellen Abbau der energiereichen Phosphate bewirkt wird [13, 81]. Die initiale Zunahme von PF in CI entsteht wahrscheinlich durch einen relativ schnelleren Abbau des Kreatinphosphates [13] und die dabei auftretende intrazelluläre Alkalose [141], die über Erhöhung der Ca2+-Sensitivität der Myofilamente den positiv inotropen Effekt bedingt [19, 81]. Die Erhöhung der CK-MB und CK-BB in CI gegenüber SO erlaubt aufgrund des niedrigeren Km-Wertes der MB und BB Isoenzyme für Kreatinphosphat [122] einen schnelleren Phosphoryltransfer vom Kreatinphosphat zum ATP [97], was als Adaptation des hypertrophierten Myokards gewertet werden kann [97, 122].

Die Verschiebung des CK Isoenzymmusters ist somit ein wichtiger Grund für die geringere Empfindlichkeit des hypertrophierten Myokards gegenüber Hypoxie, die in CI in der Anfangsphase trotz größerem Präparatdurchmesser und damit verlängerter Diffusionsstrecke bei vermindertem pO2, auftritt. Ein weiterer Aspekt, der zur verminderten Hypoxieempfindlichkeit in CI beitragen kann, ist die prozentuale Zunahme des Isomyosin V3 [112], was eine energetisch effizientere Kontraktion und damit eine Energieeinsparung bedingt [142, 143]. Die verminderte SR Ca2+- ATPase- Aktivität in unserem experimentellen Modell kann ebenfalls eine geringere Hypoxieempfindlichkeit des hypertrophierten Myokards bewirken. Da die SR Ca2+-ATPase eine sehr hohe freie Energie (DeltaGATP) der ATP-Hydrolyse benötigt [39, 144], die in der Hypoxie aber reduziert ist [13, 39], kann sich der relativ größere Anteil des Na+/Ca2+-Austauschers des


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SL im hypertrophierten Myokard positiv im Sinne der längeren Erhaltung der Ca2+-Homeostase während Hypoxie auswirken.

Die Zunahme der Kontraktionsgeschwindigkeit in beiden Gruppen ist Ausdruck der verminderten Ca2+-Sensitivität der Myofilamente [92]. Die Zunahme von TPF zeigt einen früheren Abbruch der Kontraktion an [81]. Die besonders in CI erhöhte Relaxationsgeschwindigkeit kann ebenfalls auf eine verminderte Ca2+-Sensitivität der Myofilamente [13, 81, 92] durch die sich entwickelnde Azidose [1, 10] zurückgeführt werden. Ein stärkerer intrazellulärer pH-Abfall in CI während der Hypoxie läßt sich auch durch das erhöhte glycolytische Potential im hypertrophierten Myokard begründen [145, 146].

In der Reoxygenierung folgte der Wiederanstieg von PF nicht dem schnellen Anstieg des pO2. Der Wiederanstieg von PF erfordert eine normalisierte Ca2+-Sensitivität der Myofilamente, die durch Beendigung der Glycolyse mit Normalisierung des intrazellulären pH [13] und durch einen Wiederanstieg der ATP-Konzentration verbunden mit der Abnahme von anorganischem Phosphat [13, 38, 49] eintritt. Die normale Ca2+-Sensitivität der Myofilamente zusammen mit einem verstärkten Ca2+-Eintritt während der Reoxygenierung [1, 10, 13, 19] bewirkt außerdem den beobachteten temporären Grundspannungsanstieg und den Abfall der Kontraktions- und Relaxationsgeschwindigkeit [81]. Im weiteren Verlauf der Reoxygenierung normalisierten sich Kontraktions- und Relaxationsgeschwindigkeit in den hypertrophierten Papillarmuskeln in CI signifikant stärker als in SO. Zusammen mit dem schnelleren Abklingen der Potenzierung der NPP nach Reoxygenierung in SO gegenüber der aeroben Kontrolle (Abb. 15), ergibt sich das Bild einer Membranschädigung während der Reoxygenierung in SO. Da das sarkoplasmatische Retikulum den Hauptfaktor für die Relaxation im Rattenmyokard darstellt [132] und eine intakte SR-Funktion mit einem langsamen Abklingen der Potenzierungen nach Reizpausen und Extrastimulation [84, 85, 89] verbunden ist, ist eine geschädigte SR-Funktion nach Reoxygenierung anzunehmen. Die signifikant schnellere Relaxation in CI gegenüber SO und ein vergleichbares Abklingen der Potenzierungen in CI wie unter aeroben Kontrollbedingungen weisen auf eine relativ geringere SR-Schädigung durch Reoxygenierung in den hypertrophierten Papillarmuskeln hin. Die Membranschädigung in Reoxygenierung beruht hauptsächlich auf der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies nach O2-Wiederzutritt [34] bei verminderter antioxidativer Kapazität [124, 125]. Für hypertrophiertes Myokard nach Druckbelastung konnte eine Zunahme der endogenen antioxidativen Kapazität gezeigt werden [124, 125], die ebenfalls in unserem Modell der infarktassoziierten Hypertrophie, sichtbar an den erhöhten Enzymaktivitäten der SOD und GSH-Px, auftrat. Damit kann eine


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verminderte Membranschädigung insbesondere des SR durch reaktive Sauerstoffspezies erklärt werden, die sich in CI funktionell als bessere Wiederherstellung der kontraktilen Funktion nach Reoxygenierung darstellte.

4.5. Protektive Einflüsse von Histidin und Butylhydroxytoluen auf die kontraktile Funktion von Rattenpapillarmuskeln nach Hypoxie und Reoxygenierung

Die Versuche zum Einfluß von Hypoxie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion der Rattenpapillarmuskeln unter Einsatz des Hydroxylradikalfängers Butylhydroxytoluen (BHT) [91] und des singlet- Sauerstoff- Fängers Histidin [64] wurden durchgeführt, um den Einfluß unterschiedlicher reaktiver Sauerstoffspezies zu untersuchen und einen möglichen kardioprotektiven Ansatz zu erkunden. Nach Zusatz von BHT und Histidin unter aeroben Kontrollbedingungen zeigten sich innerhalb von 15 min keine Veränderungen der kontraktilen Funktion. Damit läßt sich ein signifikanter Einfluß der beiden Substanzen auf die Kontraktilität ausschließen.

Am Ende der Reoxygenierung kam es in den behandelten Gruppen und auch in der zugehörigen Kontrollgruppe zu einer nahezu vollständigen Normalisierung der Kontraktions- und Relaxationsgeschwindigkeiten. Da die Versuche in der Kontrollgruppe RH und in der scheinoperierten Gruppe SO mit der gleichen Hypoxie- und Reoxygenierungsdauer wie die Kontrollgruppe zu den BHT- und Histidin-behandelten Gruppen durchgeführt wurden, in diesen Gruppen aber deutliche Schädigungen von Kontraktion und Relaxation sichtbar waren, kann die bessere Erholung in KR nur auf den sofortigen Wiederanstieg des pO2 nach Einsetzen der Reoxygenierung zurückzuführen sein. Unter diesen Bedingungen war eine sofortige vollständige O2-Versorgung des Präparates möglich, während der langsamere pO2-Anstieg in RH und in SO eine anfängliche Minderversorgung der Präparate nach Einsetzen der Reoxygenierung verursachen konnte. Trotz des schnelleren O2-Wiedereintrittes in KR blieb PF allerdings gegenüber dem normoxischen Kontrollniveau als Zeichen der aufgetretenen Schädigung deutlich vermindert. Der Zusatz von BHT, für das eine protektive Wirkung auf isolierte Myozyten während Hypoxie und Reoxygenierung -gemessen als verminderter Laktatdehydrogenase- Austritt- gezeigt wurde [147], erhöhte PF am Ende der Reoxygenierung signifikant gegenüber der Kontrollgruppe. Daraus kann eine kardioprotektive Wirkung des Hydroxylradikalfängers


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geschlußfolgert werden, da ebenfalls eine vollständige Normalisierung von Kontraktion und Relaxation auftrat und der beobachtete Effekt auf PF somit nicht Zeichen einer aufgetretenen Ca2+-Überladung sein kann.

Durch Zugabe des singlet- Sauerstoff- Fängers Histidin [64, 148] konnte ebenfalls am Ende der Reoxygenierung eine signifikant höhere PF gegenüber der Kontrollgruppe bei vollständig normalisierter Kontraktion und Relaxation erreicht werden, die durch eine Kardioprotektion aufgrund einer verminderten Membranschädigung [64] zu erklären ist. Der für Histidin während Ischämie postulierte kardioprotektive Effekt durch Erhalt der glycolytischen ATP-Bildung auf der Grundlage seiner Pufferwirkung [149] kann in unserem experimentellen Modell keine bedeutende Rolle gespielt haben, da die hohe Glycolyserate in Hypoxie im Gegensatz zur Ischämie länger erhalten bleibt [13]. Die kardioprotektive Wirkung der klinisch eingesetzten kardioplegischen Lösung HTK [16] ist somit zumindest partiell mit der antioxidativen Wirkung der hohen Histidin- Konzentration zu erklären.

Der kombinierte Einsatz von Histidin und BHT führte am Ende der Reoxygenierung nicht nur zur vollständigen Normalisierung der Kontraktions-und Relaxationsparameter, sondern auch zur vollständigen Wiederherstellung von PF gegenüber dem normoxischen Ausgangswert. Daran zeigt sich, daß durch den gleichzeitigen Einsatz von Pharmaka mit verschiedenen Ansatzpunkten im während der Reoxygenierung stark gesteigerten Radikalstoffwechsel [12, 14, 64] eine zusätzliche Kardioprotektion gegenüber der Verwendung der Einzelsubstanzen zu erreichen ist.


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