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

Aus dem Institut für Physiologie der Humboldt-Universität zu Berlin
Direktor Prof. Dr. P.B. Persson


DISSERTATION
Thema: "Effekte von Hypoxie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion von humanen Vorhoftrabekeln und Rattenpapillarmuskeln - Möglichkeiten der Protektion"

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor medicinae
(Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät der
Humboldt-Universität zu Berlin

von Herrn Kay-Dietrich Wagner ,
geb. am 7. Februar 1971 in Spremberg

Dekan: Prof. Dr. med. M. Dietel

Gutachter:
1. Prof. P.B. Persson
2. Prof. H.G. Zimmer
3. Prof. C. Pfeiffer

eingereicht: 1.11.1997

Datum der Promotion: 1.4.1998

Zusammenfassung

Die vorliegende Untersuchung sollte die kontraktile Funktion von humanen Vorhoftrabekeln und linksventrikulären Papillarmuskeln der Ratte während Hypoxie / Reoxygenierung als Hauptkomponenten von Ischämie / Reperfusion charakterisieren. Weitere Merkmale der Ischämie wurden durch erhöhte extrazelluläre K+-Konzentration und Azidose simuliert. Einblicke in die zelluläre Ca2+-Regulation ergaben sich aus Aktionspotential-(AP)-messungen, der SR- Ca2+-ATPase-Aktivität und Kraft-Intervall-Beziehungen. Die Rolle des Energiestoffwechsels und der endogenen antioxidativen Kapazität für die kontraktile Funktion von infarktbedingt hypertrophiertem Rattenmyokard während Hypoxie / Reoxygenierung ist durch Messung der Kreatinkinase-(CK)-Aktivität, ihrer Isoenzymverteilung und der Aktivitäten von Superoxiddismutase (SOD) und Glutathionperoxidase (GSH-Px) charakterisiert worden. Der Einsatz der Radikalfänger Histidin und Butylhydroxytoluen während Hypoxie und schneller Reoxygenierung an Rattenpapillarmuskeln sollte zur Protektion gegen den toxischen Effekt unterschiedlicher reaktiver Sauerstoffspezies dienen.

In den durchgeführten Experimenten zeigte sich eine geringere Empfindlichkeit des humanen Vorhofmyokards gegenüber reduzierter O2-Versorgung und Reoxygenierung als im Rattenmyokard. Die während simulierter Ischämie im humanen Myokard auftretende Azidose hat einen günstigen Effekt auf die Wiederherstellung der isometrischen Kontraktionskraft nach Reoxygenierung, was jedoch mit einer gestörten Regulation der kontraktilen Funktion verbunden ist. Hypertrophiertes Myokard in der chronischen Phase nach Infarkt zeigt eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber Hypoxie / Reoxygenierung, was auf adaptive Veränderungen im Energiestoffwechsel (erhöhte CK-MB und CK-BB Isoenzyme mit kleinerem Km-Wert für Kreatinphosphat), in der endogenen antioxidativen Kapazität (Erhöhung der Aktivitäten von SOD und GSH-Px um 40% bzw. 50%) und in der Regulation der kontraktilen Funktion (verminderte SR Ca2+-ATPase-Aktivität und Isomyosinverschiebung von V1 nach V3) zurückgeführt werden kann. Eine bessere Erholung der kontraktilen Funktion nach Reoxygenierung kann durch schnellen pO2-Wiederanstieg erreicht werden. Der Einsatz von Pharmaka mit verschiedenen Angriffspunkten im Radikalstoffwechsel und besonders deren Kombination während Hypoxie / Reoxygenierung ermöglicht zusätzlich eine verbesserte Kardioprotektion.

Abstract

This study characterizes the contractile function of human atrial trabeculae and rat left ventricular papillary muscles during hypoxia / reoxygenation as the major components of ischemia / reperfusion. Further characteristics of ischemia were simulated by increased extracellular K+ concentration and acidosis during hypoxia. Insights into the cellular Ca2+ regulation were obtained from action potential recordings, from measurements of sarcoplasmic reticulum (SR) Ca2+ transport, and from force-interval relations.

We examined changes in SR calcium transport, creatine kinase (CK) system, the antioxidant enzymes glutathionperoxidase (GSH-Px) and superoxiddismutase (SOD) 6 wks. after infarction (MI) due to coronary ligation in rats. Phenotypic modifications vs. sham operation (SHAM) were related to the contractile response of hypertrophied papillary muscle to hypoxia / reoxygenation. The oxygen radical scavengers histidine and butylhydroxytoluene were applied during hypoxia and rapid reoxygenation to protect the myocardium against oxygen radical damage.

Generally, human atrial trabeculae were less sensitive to reduced oxygen supply and reoxygenation when compared to rat papillary muscles. In human atrial trabeculae, isometric peak force development recovered better after simulated ischemia than after hypoxia but the regulation of contractile function was clearly disturbed. In rat papillary muscles, rapid reoxygenation caused a better recovery of contractile function after hypoxia. Application of the oxygen radical scavengers histidine, butylhydroxytoluene, and especially their combination during hypoxia / reoxygenation had additional cardioprotective effects.

In MI vs. SHAM we observed under aerobic control conditions: decreses in isometric contraction and relaxation rate, a reduced Vmax-equivalent of sarcomeric shortening, a faster twitch-to- twitch decay of post-rest potentiation (PRC) which correlated closely to the decrease in SR Ca2+ uptake (-25%), a decrease in CK activity (-20%), reduced CK-MI and CK-MM, increased CK-MB and CK-BB, and enhanced activities of SOD (+40%) and GSH-Px (+50%). During hypoxia, an initial increase in peak force (PF) was followed by a slower PF decline in MI vs. SHAM. During reoxygenation, rates of contraction and relaxation recovered better in MI. In SHAM but not MI, twitch-to-twitch decay of PRC was accelerated after reoxygenation vs. aerobic control. The results suggest that adaptive changes in SR Ca2+ handling, CK isoenzymes, and antioxidant enzymes may contribute to higher resistance against reduced O2 supply and reoxygenation in hypertrophy due to MI.

Keywords:
hypoxia / reoxygenation, hypertrophy, contractile function, rat papillary muscle, human atrial trabeculae


Seiten: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92]

Inhaltsverzeichnis

TitelseiteThema: "Effekte von Hypoxie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion von humanen Vorhoftrabekeln und Rattenpapillarmuskeln - Möglichkeiten der Protektion"
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1.Das klinische Problem
1.2.Mechanismen von ischämiebedingten und Reperfusionsschäden
1.3.Problemstellung
2 Material und Methoden
2.1.Gewinnung der Präparate
2.2.Versuchsdurchführung
2.3. Aktionspotentialmessung
2.4. Oxalatstimulierte Ca2+-Aufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum
2.5. Bestimmung der Glutathionperoxidase-, der Superoxiddismutase- und Kreatinkinaseaktivität, der Kreatinkinaseisoenzymverteilung und der Lipidperoxidkonzentration<3>
2.6.Parameter des Mechanogramms
2.7.Statistische Analyse
3 Ergebnisse
3.1. Effekte von Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion von humanen Vorhoftrabekeln und Rattenpapillarmuskeln
3.2. Kontraktile Funktion und biochemische Parameter von hypertrophiertem Myokard der Ratte mit chronischem Infarkt im Vergleich zu Myokard nach Scheinoperation
3.3. Effekte von Hypoxie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion von Rattenpapillarmuskeln nach chronischem Infarkt und Scheinoperation
3.4. Einflüsse von Histidin und Butylhydroxytoluen auf die kontraktile Funktion von Rattenpapillarmuskeln während Hypoxie und Reoxygenierung
4 Diskussion
4.1. Effekte von Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung auf humane Vorhoftrabekel
4.2. Effekte von Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung auf Rattenpapillarmuskeln
4.3. Biochemische Parameter, Aktionspotential und kontraktile Funktion von hypertrophiertem Myokard der Ratte mit chronischem Myokardinfarkt
4.4. Effekte von Hypoxie und Reoxygenierung auf die kontraktile Funktion von Papillarmuskeln von Infarktratten und scheinoperierten Tieren
4.5. Protektive Einflüsse von Histidin und Butylhydroxytoluen auf die kontraktile Funktion von Rattenpapillarmuskeln nach Hypoxie und Reoxygenierung
5 Zusammenfassung
Bibliographie 6. Literaturverzeichnis
Selbständigkeitserklärung
Lebenslauf
Anhang A Veröffentlichungen
Danksagung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Zusammenfassung der durchgeführten Versuchsserien
Tabelle 2: Parameter des isometrischen Mechanogramms von humanen Vorhoftrabekeln und Rattenpapillarmuskeln unter dem Einfluß erhöhter extrazellulärer K+-Konzentration
Tabelle 3: Charakteristik humaner Vorhoftrabekel und deren rhythmischer isometrischer Kontraktionen unter aeroben Kontrollbedingungen.
Tabelle 4: Scheinoperation (SO) versus chronischer Myokardinfarkt (CI). Charakteristik der Tiere (A), linksventrikulärer Papillarmuskeln (B), der Parameter isometrischer rhythmischer Kontraktionen (C) und der Aktionspotentiale (D) unter aeroben Kontrollbedingungen.

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2: Zeitlicher Verlauf von pH und pO2 während Hypoxie, simulierter Ischämie und Reoxygenierung (n=6)
Abb. 3: Charakteristik von isometrischen Kontraktionen humaner Vorhoftrabekel während Hypoxie (n = 15), simulierter Ischämie (n = 16) und Reoxygenierung. Die Parameter wurden auf die aeroben Kontrollwerte normiert. * symbolisiert p<0,05 zwischen den Gruppen, + symbolisiert p<0,05 gegenüber dem aeroben Kontrollwert der gleichen Gruppe.
Abb. 4. PEPmax. Die optimalen Intervalle zur Erzielung der PEPmax sind unterhalb der Säulen dargestellt. Die Potenzierung wird als Verhältnis der Amplitude der potenzierten Kontraktion zur Amplitude der vorhergehenden rhythmischen Kontraktion ausgedrückt. + symbolisiert p<0,05 vs. der aeroben Kontrolle und * p<0,05 vs. HSI.
Abb. 5: Nachpausenpotenzierungen in Abhängigkeit von der Pausendauer bei aerober Kontrolle, nach 30 min Hypoxie (HH) bzw. 30 min simulierter Ischämie und 30 min Reoxygenierung. Die Potenzierung wird als Verhältnis der Amplituden von Nachpausen-kontraktionen zu rhythmischen Kontraktionen vor der Pause ausgedrückt. * symbolisiert p<0.05 zwischen 2 Gruppen und + p<0.05 versus der vorhergehenden Pause der gleichen Gruppe.
Abb. 6: Originalregistrierung isometrischer Kontraktionen nach 5 min Reoxygenierung in HH (A) und 20 min Reoxygenierung in Gruppe HSI (B).
Abb. 7: Charakteristik rhythmischer isometrischer Kontraktionen von Rattenpapillarmuskeln während Hypoxie (RH, n = 15), simulierter Ischämie (RSI, n = 12) und Reoxygenierung. Die Parameter wurden auf die aeroben Kontrollwerte normiert. * symbolisiert p<0,05 zwischen den Gruppen, + symbolisiert p<0,05 gegenüber dem aeroben Kontrollwert der gleichen Gruppe.
Abb. 8: Simultanregistrierung von isometrischen Kontraktionen (F) und Aktionspotentialen (AP) während Hypoxie (1. - 20. Minute).
Abb. 9: Simultanregistrierung von isometrischen Kontraktionen (F) und Aktionspotentialen (AP) während Reoxygenierung.
Abb. 10. PEPmax. Die optimalen Intervalle zur Erzielung der PEPmax sind unterhalb der Säulen dargestellt. Die Potenzierung wird als das Verhältnis der Amplitude der potenzierten Kontraktion zur Amplitude der vorhergehenden rhythmischen Kontraktion ausgedrückt. + symbolisiert p<0.05 vs. der aeroben Kontrolle und * p<0.05 vs. RH.
Abb. 11: Simultanregistrierung vonisometrischen Kontraktionen (F) und Aktionspotentialen (AP) im Rattenpapillarmuskel bei 5 mmol/l extrazellulärer K+-Konzentration unter aeroben Bedingungen bei rhythmischer (a) und Extra-Stimulation (b).
Abb. 12: Nachpausenpotenzierungen in Abhängigkeit von der Pausendauer bei aerober Kontrolle mit einer extrazellulären K+-Konzentration von 5 mM (RK5) und 30 mM (RK30), nach 30 min Hypoxie (RH) und 30 min Reoxygenierung nach Hypoxie (REOXRH) bzw. simulierter Ischämie (REOXRSI). Die Potenzierung wird als Verhältnis der Amplitude von Nachpausenkontraktion zur Kontraktion vor der Pause ausgedrückt. *symbolisiert p<0,05 zwischen RK5 und RK30 und + p<0,05 versus der aeroben Kontrolle der gleichen Gruppe.
Abb. 13: Simultanregistrierung von isometrischen Kontraktionen (F) und Aktionspotentialen (AP) im Rattenpapillarmuskel bei 5 mM extrazellulärer K+-Konzentration unter aeroben Bedingungen bei rhythmischer Stimulation (a) und nach 120 s Reizpause (b).
Abb. 14: PEPmax (A) und NPP nach 120 s Pausendauer (B) in der scheinoperierten Gruppe (SO, n = 9) und in der Gruppe mit chronischem Infarkt (CI, n = 10). Die optimalen Intervalle zur Erzielung der PEPmax sind unterhalb der Säulen dargestellt. Die Potenzierungen der postextrastimulatorischen Kontraktionen und Nachpausenkontraktionen wird als das Verhältnis der Amplituden der potenzierten Kontraktionen zu Amplituden der vorhergehenden rhythmischen Kontraktionen ausgedrückt. + symbolisiert p<0,05 gegenüber der aeroben Kontrolle.
Abb. 15: Abklingen der Potenzierung der Nachpausenkontraktionen nach einer Pause von 120 s. A: Die Potenzierung wurde auf die vorhergehende rhythmische Kontraktion normiert. B: Das Abklingen der Potenzierung wurde nach der von Urthaler [99] angegebenen Formel berechnet. * symbolisiert p<0,05 zwischen den Gruppen, + p<0,05 in einer Gruppe zwischen aerober Kontrolle und Reoxygenierung.
Abb. 16: Oxalat-stimulierte Ca2+-Aufnahme. A: Maximale proteinkinase-A-aktivierte Ca2+-Aufnahme im linksventrikulären Myokard der scheinoperierten Gruppe (SO, n = 9) und hypertrophiertem Myokard mit chronischem Infarkt (CI, n = 10). B: oxalat-stimulierte Ca2+-Aufnahme unter Inhibition der Proteinkinase A. * symbolisiert p<0,05 SO versus CI.
Abb. 17: Das Kreatinkinasesystem im linksventrikulären Myokard der Kontrollgruppe (n = 6, weiße Balken) und der Gruppe mit chronischem Infarkt (n = 7, schwarze Balken). Darstellung der Kreatinkinasegesamtaktivität (CK) und der Kreatinkinaseisoenzyme. * symbolisiert p<0,05 Kontrolle versus CI.
Abb. 18: Aktivitäten der Superoxiddismutase (SOD) und Gluthationperoxidase (GSH-Px) im linksventrikulären Myokard der Kontrollgruppe (n = 5) und der Gruppe mit chronischem Infarkt (n = 12). * symbolisiert p<0,05 zwischen den Gruppen.
Abb. 19: Charakteristik von isometrischen Kontraktionen linksventrikulärer Papillarmuskeln von scheinoperierten Ratten (SO, n = 9) und Tieren 6 Wochen nach experimentellem Myokardinfarkt (CI, n = 10) während Hypoxie und Reoxygenierung.
* symbolisiert p<0,05 CI versus SO, + p<0,05 gegenüber der aeroben Kontrolle
Abb. 20: Normierte Maximalkraft (PF) und ihre Anstiegsdauer (TPF) von Papillarmuskelkontraktionen nach 30 min Hypoxie und 30 min Reoxygenierung der Kontrollgruppe (KR), mit BHT- (BHTR), mit His- (HisR) und mit BHT+His- (BHR) behandelter Gruppen. Die Parameter wurden auf die aeroben Ausgangswerte normiert. * symbolisiert p<0,05 gegenüber der Kontrollgruppe.
Abb. 21: Relaxationszeiten (RT50 und RT90) nach 30 min Hypoxie und 30 min Reoxygenierung von Papillarmuskelkontraktionen der Kontrollgruppe (KR), mit BHT- (BHTR), mit His- (HisR) und mit BHT+His- (BHR) behandelter Gruppen. Die Parameter wurden auf die aeroben Ausgangswerte normiert. * symbolisiert p<0,05 gegenüber der Kontrollgruppe.

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