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6.  Diskussion

Ein zentrales Ereignis im Rahmen der Herzinsuffizienzgenese ist die Aktivierung von Kompensationsmechanismen, die - allerdings zeitlich begrenzt - eine Steigerung bzw. Stabilisierung der Herzleistung ermöglichen. Auf zellulärer Ebene werden dabei strukturelle und funktionelle Umbauprozesse im Myokard beobachtet, die - makroskopisch als Herzhypertrophie sichtbar - unter Myokardremodeling zusammengefasst werden. Bisher vorliegende tierexperimentelle Untersuchen lassen vermuten, dass zum Myokardremodeling auch Veränderungen im enzymatischen antioxidativen Potential sowie im Hsp-System gehören. Dadurch sollte der Schutz des Herzens gegenüber der für die Herzinsuffizienz als typisch ausgewiesenen zunehmenden Sauerstoffradikal-induzierten Schädigung ermöglicht werden.

Im Rahmen dieser Arbeit, werden die in zwei Rattenmodellen:

  1. der Hypertonie-induzierte Herzinsuffizienz und
  2. der Myokardinfarkt-induzierten Herzinsuffizienz,

beobachteten Veränderungen im antioxidativen System und im Hsp-System beschrieben, deren funktionelle Bedeutung dargestellt sowie die Assoziation zum Myokardremodeling, das parallel durch Hypertrophieparameter und Veränderungen im CK-Isoenzym-System charakterisiert wurde, diskutiert.

6.1. 1.Tiermodell: Hypertonie-induzierte Herzhypertrophie bei transgenen Ratten (TGR)

Vor Eintritt der manifesten Herzinsuffizienz gilt Hypertrophie als Kompensationsmechanismus, dessen Aktivierung zu einem wesentlichen Teil auf die autokrin/parakrine Wirkung des Renin-Angiotensin-Systems zurückzuführen ist. Es ist mehrfach nachgewiesen worden, dass AngII direkt zur Hypertrophie von Kardiomyozyten führt [64,65]. Neuere Forschung in dieser Richtung ergaben, dass radikalische Sauerstoffverbindungen eine entscheidende Rolle bei der Gen-Induktion und nachfolgender Zell-Proliferation spielen [66]. Das zeigen auch die schon im Kapitel 2.1.1.beschriebenen Studien zur Ang II-induzierten Hypertrophie von Nakamura et al. [11]. Basierend auf diesen Versuchsergebnissen wird eine enge Assoziation von Hypertrophieentwicklung, Sauerstoffradikalbildungen und Induktion entsprechender Schutzsysteme (antioxidative Enzyme, Hsp) vermutet. Durch makroskopische (Hypertrophiemarker) und zelluläre (CK-Isoenzymmuster) Beschreibung des Remodelingprozesses parallel zur Charak[Seite 71↓]terisierung des Sauerstoffradikalstoffwechsels (Lipidperoxide, antioxidative Enzyme) und des Hsp-Systems ermöglichte uns das genutzte Tiermodell, die Expression von antioxidativen Enzymen und Stressproteinen erstmals als Folge einer „isolierten“ Aktivierung des RAS zu untersuchen und die Modulation antioxidativer Enzyme - speziell der GSH-Px - als eine von der Hypertrophieentwicklung weitgehend unabhängige Remodelingreaktion auszuweisen. Dagegen erscheinen Veränderungen im Hsp-System vor allem von Hsp25 eher Hypertrophie-assoziiert zu sein.

6.1.1.  Herzhypertrophie bei TGR

Bei den TGR kam es, erkennbar an der Zunahme des Herzgewichtes im Vergleich mit der Kontrollgruppe zur Herzhypertrophie. Die nachgewiesene direkt wachstumsinduzierende Wirkung von AngII über den AT2-Rezeptor könnte dafür verantwortlich sein [64]. Die Hypertrophie betraf jedoch isoliert den linken Ventrikel, wie durch die Hypertrophiemarker LV/KG und RV/KG ausgewiesen wurde. Bei spontan hypertensiven Ratten (SHR) wurde ebenfalls eine linksventrikuläre Hypertrophie gefunden, deren RAS-Abhängigkeit sich durch Reduktion der linksventrikulären Masse nach ACE-Hemmung belegen ließ [67,68]. Das bestätigten auch Untersuchungen, die zeigten, dass eine signifikante Regression der Hypertonus-induzierten Hypertrophie nur durch Blutdrucknormalisierung mit ACE-Hemmern, nicht aber mit Sympatholytika oder Vasodilatatoren erreicht wurde [69]. Warum, wie in unseren Untersuchungen gezeigt, der rechte Ventrikel nicht oder zumindest weniger auf die RAS-Aktivierung mit Hypertrophie reagiert, ist gegenwärtig unbekannt. Eine mögliche Erklärung wäre der isoliert im linken Ventrikel alternder Ratten gefundene höhere mRNA-Gehalt von Angitensinogen und Angiotensin-Converting-Enzym [70], der demzufolge vor allem dort und weniger im rechten Ventrikel die Hypertrophie begünstigt.

6.1.2. CK-Remodeling bei TGR

Die Gesamt-CK Erniedrigung im linken, nicht aber im rechten Ventrikel der TGR weist auf die stärkere Schädigung des linken Ventrikels hin. Derartige, durch CK-Abfall demonstrierte, unterschiedliche Schädigungsmuster im linken und rechten Ventrikel sind auch in anderen Insuffizienzmodellen beobachtet worden. Laser et al. [71] zeigten in der chronischen Phase nach Myokardinfarkt eine Gesamt-CK Erniedrigung im intakten linken Ventrikel und Septum, nicht jedoch in anderen Herzbereichen. Auch im 2. Tiermodell dieser Arbeit fanden wir 9 Wochen nach MI eine Gesamt-CK Erniedrigung isoliert im linken Ventrikel.


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Zum CK-Isoenzym-Shift zu höheren Anteilen an CK-MB und CK-BB kam es ebenfalls nur im linken Ventrikel der TGR. Die gesteigerte Expression fetaler Gene, die im Rahmen des Remodelings bekannt ist [12], könnte die gemeinsame Grundlage für Hypertrophie und Änderungen in der Expression von CK-Isoenzymen bilden. So verschob sich das CK-Isoenzymmuster im linken Ventrikel der TGR zu höheren Anteilen an den Isoenzymen die die „fetalen“ B-Untereinheiten besitzen (CK-MB und CK-BB). Vergleichbare Ergebnisse erbrachten Studien an anderen Modellen, beispielsweise bei Myokardhypertrophie nach Infarkt [41] und Training [72]. Das weist auf eine enge Beziehung zwischen der Hypertrophieentwicklung, den damit verbundenen Stoffwechselbedingungen und den Umstellungen des Expressionsmusters der CK-Isoenzyme hin. Allerdings haben andere Studien gezeigt, dass auch im nichthypertrophierten rechten Ventrikel ein Anstieg der Isoenzyme mit B-Untereinheit beobachtet werden kann [71].Da sich der CK-Isoenzym-Shift sowohl durch ß-Blockade als auch durch ACE-Hemmung verhindern lässt [73], liegt es nahe, dass nicht einzelne Induktoren dafür in Frage kommen, sondern dass vielmehr ein multifaktorielles Geschehen im Rahmen der Hypertrophieentstehung vorliegt. Die beschriebene CK-MM Erniedrigung lässt sich in diesem Zusammenhang als relativer Verlust durch den gleichzeitigen Anstieg der Isoenzyme mit B-Untereinheit erklären. Da sich keine signifikante Verminderung der CK-Mi feststellen ließ, die als Marker für einsetzende Dekompensation mit konsekutivem Pumpversagen angesehen wird [74], kann davon ausgegangen werden, dass sich in der vorliegenden Studie die TGR im Stadium der kardialen Hypertrophie ohne relevante Insuffizienz befanden. Vergleichbare Verschiebungen des CK-Isoenzymmusters zu höheren Anteilen an Isoenzymen mit B-Untereinheiten, ohne dass typische Veränderungen, die für eine dekompensierte Insuffizienz sprechen, im Myokard vorliegen, wurden 3 Wochen nach Koronararterienokklusion an Hundeherzen gefunden [75]. Als physiologischer Vorteil der gesteigerten myokardialen Expression von CK-Isoenzymen mit B-Untereinheit wird die bessere Anpassung an partiell anaerobe Stoffwechselbedingungen angesehen. Durch sie kann aufgrund der in Kapitel 2.1.2.1. beschriebenen unterschiedlichen Michaelis-Konstanten -und der damit verbundenen höheren Affinität zu Creatinphosphat- der Phosphattransfer auf ADP unter Bildung von ATP begünstigt werden. Da es im TGR-Modell bei systemischer RAS-Aktivierung nur isoliert im linken Ventrikel zum Isoenzym-Shift der CK kam, kann eine alleinige Induktion dieser Veränderungen durch einzelne Komponenten des Renin-Angiotensin-Systems ausgeschlossen werden.

6.1.3. Antioxidative Enzyme und Lipidperoxidation bei TGR

Im Kontrast zu den Hypertrophie-assoziierten und damit auf den linken Ventrikel begrenzten [Seite 73↓]Veränderungen im CK-System zeigen unsere Untersuchungen an den TGR eine Zunahme der GSH-Px im linken und auch im rechten Ventrikel, sowie im Papillarmuskel. Derartige GSH-Px-Zunahmen, die als Kompensationsmechanismus in Folge zunehmender Belastung des hypertrophierten bzw. insuffizienten Myokards durch oxidativen Stress angesehen werden, sind in unterschiedlichen Modellen beobachtet worden. So zeigten Gupta und Singal [40] nach 6, 12, 24 und 48 Wochen kardialer Hypertrophie durch „Aortenbanding“ bei Ratten eine GSH-Px-Erhöhung im hypertrophierten linken Ventrikel. Da sich in dieser Studie die Untersuchungen auf den linken Ventrikel beschränkten und aufgrund der Lokalisation der Aortenstenose auch eine erhöhte RAS-Aktivierung durch die minderperfundierten Nieren denkbar ist, können keine Aussagen hinsichtlich der Abgrenzung zwischen GSH-Px-Erhöhung aufgrund RAS-Aktivierung oder Hypertrophienebeneffekt abgeleitet werden. Ebenso beschränkten sich die Untersuchungen zum Übergang der kompensierten kardialen Hypertrophie in das Stadium der dekompensierten Herzinsuffizienz durch Dhalla und Singal [76] nur auf den linken Ventrikel. Dabei folgte auf einen erhöhten myokardialen GSH-Px-Gehalt im Stadium der Hypertrophie ein Absinken der GSH-Px-Aktivität im Verlauf der Dekompensation nach 20 Wochen. Die von uns beobachtete gesteigerte GSH-Px-Aktivität würde demnach darauf hinweisen, dass sich die TGR auch zum Zeitpunkt unserer Untersuchung im Stadium der kompensierten kardialen Hypertrophie befanden. Weiterhin lässt die GSH-Px-Erhöhung im rechten Ventrikel, ohne dass dieser hypertrophiert war, den Schluss zu, dass die Aktivitätserhöhung der GSH-Px keine allgemein Hypertrophie-assoziierte Reaktion ist, sondern dass Stoffwechselbedingungen, die als direkte Folge der RAS-Aktivierung gelten können, den Stimulus für die GSH-Px-Erhöhung darstellen. Gestützt wird diese Annahme auch dadurch, dass bei trainings-bedingter Hypertrophie in Albino-Ratten kein Anstieg der GSH-Px beschrieben wurde [77].

Für die Isoenzyme der SOD konnten signifikante Unterschiede weder zwischen den TGR und den normotensiven Kontrollen noch zwischen rechtem und linken Ventrikel nachgewiesen werden. Allerdings lagen die Mittelwerte bei den TGR sowohl im rechten als auch linken Ventrikel jeweils unter denen der Kontrollen. Dies scheint im Kontrast zu den Ergebnissen anderer Studien zu stehen. So zeigten sich im kompensatorisch hypertrophierten Ratten-Myokard nach Herzinfarkt [41] und bei kardialer Hypertrophie aufgrund exzessiven Trainings [77] SOD-Steigerungen. Andererseits berichteten Tokoro [78] und Ito [79] bei der nach der Ursache am ehesten vergleichbaren kardialen Hypertrophie bei spontan hypertensiven Ratten (SHR) von einer Verminderung des SOD Gehalts. Diese heterogenen SOD-Veränderungen in den verschiedenen Herzinsuffizienzmodellen, die von adaptiver SOD-Zunahme über anschei[Seite 74↓]nend „unbeeinflusste“ SOD-Aktivitäten bis hin zu SOD-Verlust reichen - wie tendenziell in dem von uns genutzten TGR-Modell beobachtet- müssen jedoch nicht unbedingt im Gegensatz zueinander stehen. Bereits die Untersuchungen von Dhalla et al. [76] haben gezeigt, dass mit zunehmender Insuffizienz im Rattenherz die Fähigkeit zur adaptiven SOD-Erhöhung verloren geht, so dass zeitabhängig im Anschluss an die Erhöhung der SOD-Aktivität ein Verlust eintritt, die den Übergang zur dekompensierten Herzinsuffizienz kennzeichnet. Es existiert also eine dynamischer Verlauf der SOD-Aktivitäten bei kardialer Hypertrophie. Entsprechend den Schlussfolgerungen von Dhalla et al. [76] kann aus unseren Ergebnissen abgeleitet werden, dass sich die TGR gerade in der Übergangsphase der beschriebenen SOD-Kinetik von initial kompensatorisch erhöhten Werten zu der, durch die Ausschöpfung der antioxidativen Kapazität bedingten, SOD-Erniedrigung befinden. Möglicherweise hätten wir bei der Wahl eines früheren Untersuchungszeitpunktes eine kompensatorische SOD-Zunahme beobachtet. Die Möglichkeit des Vorliegens nahezu „unbeeinflusster“ SOD-Aktivität neben gesteigerter GSH-Px-Aktivität, wie bei unseren TGR beobachtet, wurde auch in anderen Studien gezeigt, wo dies damit erklärt wird, dass die adaptive Potenz des Myokards zur GSH-Px-Steigerung im Vergleich zur SOD länger anhält und damit die GSH-Px-Zunahme als bedeutender für die Herzprotektion anzusehen ist [40]. Arbeiten zur essentiellen Hypertonie des Menschen unterstützen, dass die Ursache der - im Gegensatz zu anderen Studien - bei den TGR „unbeeinflussten“ SOD-Aktivität auch im „Hypertrophieauslöser“ chronische Hypertonie gesucht werden kann. Hier konnte eine Zunahme der GSH-Px und ein Abfall der SOD in den Erythrozyten im Vergleich zu normotensiven Patienten beobachtet werden [80]. Dies deutet gleichfalls auf eine vorrangige Bedeutung der GSH-Px in der Protektion gegenüber Sauerstoffradikal-induzierter Schädigung im Rahmen der kardialen Hypertrophie ausgelöst durch chronische Hypertonie hin. Um Klarheit über die Abhängigkeit/Unabhängigkeit der SOD von RAS-Aktivierung und/oder Hypertrophie zu erlangen, sollten anders konzipierte Studien folgen.

6.1.4. Hitzeschockproteine bei TGR

Hinsichtlich des Hsp72 wurde keine höhere Konzentration bei TGR im Vergleich zu WT beobachtet. Dies steht in Einklang mit den Untersuchungen von Comini et al. [81], die bei Herzinsuffizienz im Rattenmodell feststellten, dass im kompensierten Stadium der Herzinsuffizienz (reine Hypertrophie) das Myokard nicht durch erhöhte Hsp72-Konzentrationen gekennzeichnet ist, es bei manifester Herzinsuffizienz jedoch zu gesteigerter Hsp72-Expression kommt. Sie sehen in der Zunahme der Hsp72-Expression im Stadium der dekompensierten Herzinsuffizienz einen intrazellulären Adaptationsmechanismus zum Schutz beispielsweise [Seite 75↓]gegenüber Sauerstoffradikal-abhängiger Proteinschädigung. Es ist aber auch zu bedenken, dass chronisch hohe Hsp72-Konzentrationen im Rahmen von Autoimmunprozessen gebildet werden können [49]. In diesem Fall wäre die Hsp72-Expression an der Progredienz der Herzinsuffizienz beteiligt und könnte ein Marker für den Übergang zur Dekompensation sein. Danach würde die unveränderte Hsp72-Konzentration in unserem TGR-Modell (wie bereits aus den GSH-Px-Veränderungen abgeleitet) zum Untersuchungszeitpunkt auf eine kompensierte Herzinsuffizienz bei diesen Tieren hinweisen. Auch im menschlichen Myokard ist im Zustand der stabilen, kompensierten Herzleistung keine erhöhte myokardiale Hsp72-Konzentration nachweisbar [82].

Im Gegensatz zu Hsp72 fanden wir bei den TGR eine gesteigerte Hsp25-Konzentration im linken Ventrikel und im Papillarmuskel, nicht jedoch im rechten Ventrikel. Dies könnte auf eine Assoziation mit der Hypertrophie hinweisen. Hsp25 ist in den I-Banden zusammen mit dem Aktin lokalisiert und könnte aufgrund seiner Chapronwirkung die Myofilamente schützen, was seine gesteigerte Expression bei Hypertrophie erklären würde. Hsp25 verhindert dabei vermutlich die Aktin-Polymerisation bei der Einwirkung unterschiedlicher Noxen [83]. Nach einem Konzept von Dillmann [84] hat das Hsp25 einen protektiven Effekt gegenüber Hypoxie/Ischämie. Wie bereits diskutiert, kann die beobachtete Verschiebung des CK-Musters im linken Ventrikel als Zeichen für partielle Hypoxie/Ischämie angesehen werden, was damit die gesteigerte Hsp25-Expression isoliert im linken Ventrikel begünstigt. Der protektive Effekt der Gruppe der kleinen Hsp konnte nach Überexpression von Hsp25 im Rattenmodell anhand der Schutzwirkung gegenüber ischämischen Zellschäden gesichert werden [85]. Als Ursache für die Schutzwirkung von Hsp25 ist die schon mehrfach angesprochene Wechselwirkung mit dem Aktin der Myofibrillen anzunehmen. Darüber hinaus wurde auch über eine Erhöhung des antioxidativen Potentials durch das Hsp25 berichtet, einerseits durch Erhöhung des Gehaltes an reduziertem Glutathions (GSH), andererseits durch Neutralisation der toxischen Wirkung oxidierter Proteine [86, 87].

6.1.5. Ursachen für Hypertrophie, CK-Remodeling und Induktion von antioxidativen Enzymen und Hsp bei TGR

Auf welchem Weg die RAS-Aktivierung bei den TGR unabhängig von der Hypertrophieentwicklung zur Induktion von GSH-Px ist bisher nicht bekannt. Da jedoch die TBARS-Konzentration als Marker für das Ausmaß an oxidativem Stress sowohl im linken als auch im nichthypertrophierten rechten Ventrikel gesteigert war, könnte eine direkt mit der RAS-[Seite 76↓]Aktivierung verbundene Zunahme von oxidativem Stress den entscheidenden Stimulus darstellen. So haben Griendling et al. [88] and Mohazzab et al. [89] gezeigt, dass AngII die membranassoziierte NAD(P)H-abhängige Oxidase aktiviert, den wichtigsten vaskulären Sauerstoffradikalbildner. Neben dieser, direkt RAS-abhängigen Stimulation von oxidativem Stress bei den TGR, muß im linken Ventrikel, wo wir im Vergleich zum rechten Ventrikel signifikant höhere TBARS-Konzentrationen fanden, auch die Hypertrophie als begünstigend für den oxidativen Stress angesehen werden. Wie von Eichhorn et al. [8] zusammengefasst wurde, führen die größeren metabolischen Bedürfnisse und die zusätzlich verringerte Sauerstoffzufuhr aufgrund der Zunahme der Diffusionsstrecke durch Fibrose und Veränderung der koronaren Perfusion im hypertrophierten Ventrikel zu chronischer myokardialer Ischämie. Der CK-Isoenzym-Shift zu den fetalen B-Isoformen (CK-MB, -BB) - wie im linken Ventrikel der TGR-Tiere gezeigt - weist auf die chronisch-ischämischen Bedingungen im Myokard hin. Es ist heute gesichert, dass myokardiale Hypoxie/Ischämie mit einer vermehrten Bildung radikalischer Sauerstoffverbindungen einhergeht [90]. Cheng et al. [91] haben außerdem demonstriert, dass die Erhöhung der Wandspannung einzelner Papillarmuskeln von einer Zunahme der Sauerstoffradikalbildung begleitet ist. Dieses könnte auf zusätzlich gesteigerten oxidativen Stress als Folge der Hypertrophie-bedingten Zunahme der linksventrikulären Wandspannung hinweisen.

Dass der Vitamin E-Gehalt im Plasma der TGR erniedrigt war, deutet auf einen vermehrten Verbrauch des Radikalfängers in dieser Gruppe hin. Zum einen könnte der Effekt in der Hypertrophie begründet sein, die mit einer vermehrten Lipidperoxidation einhergeht; zum anderen ist auch die direkte AngII-Wirkung, die über vermehrte Sauerstoffradikalbildung vermittelt wird, als Ursache des vermehrten Tocopherolverbrauchs bei den transgenen Tieren denkbar. Für Letzteres spricht, dass auch im Plasma von SHR niedrigere Vitamin E-Konzentrationen gefunden wurden, die bei Behandlung durch ACE-Hemmung erhöht werden konnten [92]. Von Russo et al. [80] wurde auch im Plasma von Patienten mit essentieller Hypertonie eine verminderte Vitamin E-Konzentration bei erhöhten Lipidperoxidationsprodukten gefunden. Interessanterweise fiel in dieser Studie außerdem eine Zunahme der GSH-Px bei gleichzeitigem Abfall der SOD im Vergleich zu normotensiven Patienten auf. Dies zeigt einerseits, dass oxidativer Stress eine entscheidende Rolle in der Pathogenese der Hypertonie einnimmt (möglicherweise als Signaltransduktion der RAS-Aktivierung) und andererseits, dass Vitamin E und GSH-Px als Antioxidantien bei Hypertonie eine größere Rolle zu spielen scheinen als die SOD.


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6.1.6.  Kardiale Funktion bei TGR

Um den Einfluss der oben angeführten biochemischen Veränderungen auf die funktionelle Herzleistung zu überprüfen, wurden Untersuchungen zur Kontraktionsfunktion der Papillarmuskeln unter Hypoxie/Reoxygenierungsstress durchgeführt. Um die Messungen der funktionellen Parameter am Papillarmuskel auf die biochemischen Veränderungen im Ventrikelmyokard bezogen diskutieren zu können, wurden zusätzlich die GSH-Px-Aktivität und der Hsp-Status im Papillarmuskel bestimmt. Die gefundenen Veränderungen entsprachen weitestgehend den Ergebnissen des linken Ventrikels. Es zeigten sich unter aeroben Bedingungen zunächst keine Unterschiede zwischen TGR und WT. Unter Hypoxie war die PF in beiden Gruppen erwartungsgemäß stark erniedrigt, da es aufgrund des schnellen Verbrauchs energiereicher Phosphate zur Anhäufung von anorganischem Phosphat kam, mit nachfolgendem Abfall der Sensibilität der Myofilamente auf Ca2+ [93]. Die nachgewiesene Erhöhung der CK-MB- und CK-BB-Konzentrationen bei TGR bewirken eine schnellere Rephosphorylierung von ADP zu ATP, was zur insgesamt besseren Hypoxie-Resistenz beitragen könnte. Bei der nachfolgenden Reoxygenierung erfolgte die Erholung der PF nicht synchron zur pO2-Steigerung. Die Ursache der schnelleren Regeneration bei den transgenen Tieren ist in der geringeren Schädigung oder besseren Erholungsfähigkeit des Sarkoplasmatischen Retikulums (SR) zu suchen, welches als Hauptdeterminante in der Kontraktionsregulation im Rattenmyokard angesehen wird [94]. Da die Schädigung des SR, wie von Rowe et al. [95] bewiesen, in erster Linie auf die vermehrte Formation von Sauerstoffradikalen (z.B. H2O2) und deren Folgeprodukte (Lipidperoxide) zurückzuführen ist, könnten diese als Folge der gesteigerten GSH-Px-Aktivität besser metabolisiert werden, was die Myokardprotektion bei den TGR erklären würde. Auf die Möglichkeit des Hsp25, über Interaktionen mit dem Aktin der Myofibrillen, durch Erhöhung des nichtenzymatischen antioxidativen Potentials (GSH) und durch die Metabolisierung oxidierter Proteine protektiv im Myokard zu wirken [86, 87], wurde bereits hingewiesen. Vermutlich wirken beide Systeme synergistisch bezüglich der insgesamt besseren Hypoxie/Reoxygenierungsresistenz bei den TGR.


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6.2.  2.Tiermodell: Myokardinfarkt-induzierte Herzhypertrophie bei Ratten

Es ist heute allgemein akzeptiert, dass es in der akuten Phase des Myokardinfarktes zur gesteigerten Bildung von Sauerstoffradikalen kommt, deren Reaktionen mit Biomolekülen wesentlich zur strukturellen und funktionellen Myokardschädigung beitragen (siehe Kapitel 2 Theoretische Grundlagen). Als Folge der myokardialen Dysfunktion werden Kompensationsmechanismen aktiviert, deren Ziel die Stabilisierung der Herzleistung ist. Eine entscheidende Bedeutung kommt dabei der Aktivitätssteigerung des neuronal/autokrin-parakrinen Systems und dabei insbesondere des adrenergen Systems und Renin-Angiotensin-Systems zu. Die Aktivierung beider Systeme und die als Folge einsetzende Herzhypertrophie führt jedoch zu weiterer und jetzt chronischer Steigerung der Sauerstoffradikalbildung. Theres et. al. [96] hat Mechanismen, die nach Aktivierung des adrenergen Systems und Renin-Angiotensin-Systems zur Bildung von Sauerstoffradikalen führen können, zusammenfassend dargestellt. Die so gebildeten Sauerstoffradikale spielen - wie bereits in Kapitel 6.1.1. ausgeführt - eine entscheidende Rolle beim Übergang von der kardialen Hypertrophie als kompensierte Phase im Verlauf der Herzinsuffizienzgenese zur dekompensierten manifesten Herzinsuffizienz. Entsprechend dieser Hypothese von Singal und Kirshenbaum [50] besteht in der kompensierten Phase der Herzinsuffizienz trotz Aktivierung Sauerstoffradikal-bildender Mechanismen ein Gleichgewicht zwischen Radikal-Formation und Entgiftung. Die vermehrte Generierung radikalischer Sauerstoffverbindungen wird von Myokard durch eine Steigerung des endogenen enzymatischen antioxidativen Schutzsystems kompensiert. Diese kompensatorische Steigerung des antioxidativen Schutzes im Myokard ist jedoch begrenzt. Zeitabhängig oder als Folge zunehmender Intensität der Herzschädigung entstehen Imbalancen in diesem Gleichgewicht von Radikalbildung und Inaktivierung. Dadurch kommt es zur oxidativen Schädigung und nachfolgend zur Dysfunktion des Myokards mit dem Übergang zur dekompensierten Phase der Herzinsuffizienz. Um die Aktivitätskinetik des enzymatischen antioxidativen Systems und des Hsp-Systems - das als ein weiteres endogenes Protektionssystem im Rahmen der Herzinsuffizienzgenese von Bedeutung sein könnte - verfolgen zu können, wurde zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach Myokardinfarkt die Aktivität des enzymatischen antioxidativen Systems, die Lipidperoxidation sowie der Gehalt an Hsp 25 und 72 gemessen und Parametern zur Charakterisierung der Herzhypertrophie und der kontraktilen Herzfunktion gegenübergestellt.


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6.2.1.  Akute Myokardinfarktphase (14-16 nach MI)

6.2.1.1. Hypertrophieparameter und Creatinkinase

Im Vergleich zu den scheinoperierten Kontrolltieren ließen sich in der akuten Phase nach MI (14-16 h) keine Unterschiede im Körpergewicht, Gesamt-Ventrikelgewicht, links- und rechtsventrikulären Gewicht und Hypertrophieindex nachweisen. Auch Veränderungen in der Gesamt-CK-Aktivität und im Isoenzymmuster waren 14-16 h nach MI im nichtinfarzierten Anteil des linken sowie des rechten Ventrikels nicht nachweisbar. Dies ist nicht überraschend, da CK-Verminderung während des akuten Myokardinfarkt hauptsächlich im infarzierten Gewebe bzw. in der "Borderline Zone" zu erwarten sind [97].

6.2.1.2. Lipidperoxidation und antioxidative Enzyme

Auch im Hinblick auf die TBARS-Konzentration als Marker für Lipidperoxidation ließen sich keine Unterschiede zwischen nichtinfarziertem Ventrikelgewebe der MI-Tiere und dem Myokard der Kontrollen aufzeigen. Das Auftreten vermehrter Lipidperoxidation in der akuten Phase nach MI wird auch vorrangig im infarzierten Gewebe und in der "Borderline-Zone" beschrieben [98]. Allerdings gibt es auch Untersuchungen, die in der Akutphase nach experimentellem MI gesteigerte Lipidperoxidation im nichtinfarzierten Myokard aufgezeigt haben [99]. Möglicherweise sind unterschiedliche Untersuchungszeitpunkte und Infarktgrößen die Ursachen für derartig unterschiedliche Resultate. Für die antioxidativen Enzyme und die Stressproteine haben wir nach MI im nichtinfarzierten Myokard deutliche Zunahmen gefunden. Während für den Infarktbereich in der Literatur ein Verlust an GSH-Px und SOD ausgewiesen wurde [98], fanden wir 14-16 h nach MI im nichtinfarzierten Teil des linken Ventrikels eine signifikant gesteigerte GSH-Px-Aktivität. Im rechten Ventrikel ist diese GSH-Px-Zunahme als Tendenz sichtbar. Begleitet ist die GSH-Px-Erhöhung von einer Steigerung der Gesamt-SOD-Aktivität, die jedoch im Kontrast zur GSH-Px eher den rechten Ventrikel betraf. Derartige Aktivitätserhöhungen im nichtinfarzierten Myokard in der akuten MI-Phase sind bisher nicht beschrieben worden. Denkbar ist, dass die Zunahme der Aktivität enzymatischer Antioxidantien als Kompensationsmechanismus anzusehen ist, den das überlebende Myokard im Verlauf des akuten MI aktiviert, um sich dadurch vor einer Ausweitung der im Infarktgebiet ablaufenden Sauerstoffradikal-abhängigen Schädigungsreaktionen zu schützen. Die deutlichere GSH-Px-Zunahme im linken Ventrikel im Vergleich zur t-SOD könnte ein weiteres Indiz für die postulierte hervorgehobene Funktion der GSH-Px in der Myokardprotektion un[Seite 80↓]ter Bedingungen gesteigerten oxidativen Stresses sein [40]. Möglicherweise verhindert vor allem die GSH-Px-Steigerung die Lipidperoxidation im nichtinfarzierten Anteil des linken Ventrikels, wie wir dies anhand unveränderten TBARS-Konzentrationen verglichen mit den scheinoperierten Kontrollen ausgewiesen haben. Die Gesamt-SOD-Zunahme scheint sich unseren Befunden nach aus der CuZn-SOD-Zunahme zu ergeben. Ob dies auf eine größere myokardprotektive Bedeutung der CuZn-SOD im Vergleich zur Mn-SOD hinweist, ist gegenwärtig nicht zu entscheiden. Einerseits hat Siwik et al. [100] die CuZn-SOD als entscheidendes SOD-Isoenzym bei der Verhinderung der Hypertrophieinduktion durch radikalische Sauerstoffspezies ausgewiesen, andererseits wurde jedoch auch die Zunahme der Mn-SOD bei unbeeinflusster CuZnSOD-Aktivität nach Einwirkung von oxidativem Stress beschrieben [101].

6.2.1.3. Hitzeschockproteine

Mit der Induktion von Hitzeschockproteinen (Hsp) steht dem Herzmuskel ein weiterer endogener Schutzmechanismus zur Verfügung. Auf die Ursachen des protektiven Effektes von Hsp25 wurde schon eingegangen. Auch der protektive Effekt der Hsp72-Induktion auf die kontraktile Myokardfunktion konnte in zahlreichen Studien bewiesen werden, so beispielsweise für die Hitzeschock-induzierte Hsp72-Erhöhung beim Kaninchen [102] oder auch bei Überexpression von Hsp72 in transgenen Mäusen [103]. Die genauen Mechanismen der Protektion durch das Hsp72 sind zum jetzigen Zeitpunkt als spekulativ anzusehen. Sauerstoffradikale und die Ca2+-Überladung des Sarkoplasmatischen Retikulums führen möglicherweise zu einem intrazellulären Milieu, dass zur Schädigung der Tertiärstruktur von Proteinen führt und auf diesem Weg zu funktionellen Veränderungen beiträgt. Hsp72 könnte diese Konformationsänderungen entweder verhindern, und/oder über gezielte Reparatur von geschädigten Proteinen durch die Chapronwirkung oxidative Schäden wieder beheben.

Im Rattenmyokard werden Hitzeschockproteine als Antwort auf kurzzeitige Ischämie aber auch auf permanente Koronarokklusion gebildet. Yu et al. [104] haben gezeigt, dass die Ligatur der linken Koronararterie 4 Stunden nach dem Ereignis ein Maximum an Hsp72 mRNA in der Ischämiezone erzeugte Nur dort konnte nach 4 bis 24 Stunden immunhistochemisch Hsp72 nachgewiesen werden. Die gleichen Autoren haben auch 4 bis 24 h nach Ischämie/Reperfusionsstress eine immunhistochemische Zunahme der Hsp72-Konzentration nachgewiesen. Kilgore et al. [105] konnten dagegen keine derartige akute Hsp72-Induktion zeigen, wohl aber 5-7 Tagen nach MI im nichtinfarzierten septalen Myokard. Weitere Belege für eine [Seite 81↓]Steigerung der Hsp72-Expression als Folge einer akuten Stresssituation für das Myokard liefern Untersuchungen, in denen nach akuter Druckbelastung von Rattenherzen durch Aortenbanding eine vorübergehende Zunahme der Hsp72-Expression beobachtet wurde [44]. Eine passagere Hsp72-Steigerung erfolgte auch nach kurzzeitiger mechanische Dilatation in isolierten Kaninchenherzen [106].

Wir fanden die stärkste Hsp72-Zunahme akut nach MI im Papillarmuskel, im nichtinfarzierten Areal des linken und rechten Ventrikels jedoch nur mäßig gesteigerte bzw. unveränderte Hsp72-Konzentration. Dieses regional unterschiedlichen Expressionsmuster 14 bis 16 Stunden nach MI könnten auf der Grundlage der engen Beziehung zwischen Ischämie und Hsp72-Expression erklärt werden [104]. Wir gehen davon aus, dass eine Minderperfusion bzw. "Borderline-Ischämie" im Papillarmuskel verantwortlich ist für die hohe Hsp72-Konzentration. Obwohl makroskopisch im Papillarmuskel keine Ischämie sichtbar war, ist eine Minderperfusion und damit partielle Ischämie wahrscheinlich, da bei Nutzung des gleichen Infarktmodells [104] die Ursprungsregion der Papillarmuskeln im linken Ventrikel als ischämisch ausgewiesen wurde. In den Gebieten, aus denen die Proben zur Analyse der Verhältnisse im rechten und linken Ventrikel entnommen wurden waren jedoch keine Zeichen für Ischämie beschrieben. Über welchen genauen Mechanismus die Hsp72-Induktion erfolgt ist nur teilweise bekannt. Belegen lässt sich eine Verbindung zwischen Hsp72-Induktion und Proteinkinase A- und C-Aktivierung [107].

Bislang lagen keine Daten zur myokardialen Hsp25-Expression während eines akuten Infarkts vor. Lediglich erhöhte Hsp27-mRNA nach kurzzeitiger Koronarokklusion und Reperfusion am Schweineherzen konnten nachgewiesen werden, jedoch ohne nachfolgende Steigerung des Hsp27-Proteingehalts [108]. Andererseits lösten in der Ratte sowohl akute renale Ischämie als auch lokaler Ischämie im Gehirn die Expression von Hsp25 aus. Wir haben nun parallel zur gesteigerten Hsp72-Expression auch eine Expressionssteigerung für Hsp25 im Papillarmuskel in der akuten Myokardinfarktphase beobachtet. Wie für Hsp72 zuvor beschrieben, war die Hsp25-Expression im nichtinfarzierten linken Ventrikel im Vergleich zum Papillarmuskel geringer. Die im Papillarmuskel initial sehr hohe Hsp25-Konzentrationen lässt sich auch auf die ischämischen Bedingungen in dieser Region zurückführen, da gerade die Lokalisation des Hsp25 in den I-Banden als wesentlich für den protektiven Effekt von Hsp25 im Rahmen ischämische Vorgange im Myokard angesehen wird [47].


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6.2.1.4.  Kontraktile Funktion

Dass die von uns beobachtete myokardiale Zunahme von enzymatischen Antioxidantien und Stressproteinen nach experimentellem MI als eine Selbstprotektion des Myokards angesehen werden kann, konnte durch Hypoxie/Reperfusionsexperimente an den Papillarmuskeln bestätigt werde. Der protektive Effekt betraf vor allem die Reperfusionsphase. Unter Hypoxie zeigten sowohl die MI-Tiere als auch die Kontrollen ein vergleichbares Schädigungsmuster, sichtbar am Abfall der PF und (dF/dtmin)/PF. Als Ursache kann der Abfall der Ca2+-Sensibilität der Myofilamente aufgrund des raschen Abbaus energiereicher Phosphate zu anorganischem Phosphat [93] angesehen werden. Während der Reoxygenierungsphase konnten wir dagegen bei den MI-Tieren eine bessere Wiederherstellung der kontraktilen Funktion als Zeichen geringerer Schädigung durch den Hypoxie/Reoxygenierungszyklus ausmachen. Sichtbar wurde dies anhand höherer (dF/dtmax)/PF und (dF/dtmin)/PF in den MI-Tieren verglichen mit den Kontrollen. Da die Schädigung des Sarkoplasmatischen Retikulums (SR) durch reaktive Sauerstoffspezies als eine entscheidende Determinante für die Einschränkung der kontraktilen Funktion angesehen wird [95], vermuten wir, dass die von uns gefundenen Zunahme von antioxidativen Enzymen und Stressproteinen nach MI einen besseren Schutz des SR gegenüber Schädigung durch Sauerstoffradikal-abhängige Reaktionen ermöglicht. Unterstützt wird diese Hypothese dadurch, dass die verbesserte Wiederherstellung von (dF/dTmin)PF eng an die gesteigerten myokardialen GSH-Px-Aktivitäten und Hsp25-Konzentrationen gebunden ist.

Ein ausgeprägter protektiver Effekt der GSH-Px auf die kardiale Funktion konnte auch schon in anderen Modellen gezeigt werden. So wurde beispielsweise bei Gene-Knockout-Mäusen, die nur zu insuffizienter GSH-Px Produktion fähig waren eine verringerte Ischämie-Reperfusionstoleranz bei vermehrter Zellschädigung dokumentiert [109]. Auch war das Myokard transgener, GSH-Px-überexprämierender Mäuse resistenter gegenüber gleichartigem Stress [110]. Ähnlich der GSH-Px wurde auch für die SOD eine Protektion des Myokards gegenüber Ischämie/Reperfusion demonstriert [111]. Über mögliche Mechanismen zur Myokardprotektion durch Hitzeschockproteine ist schon berichtet worden.


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6.2.2.  Chronische Phase nach Myokardinfarkt (3-9 Wochen nach MI)

6.2.2.1. Hypertrophieparameter und Creatinkinase

Auch in der 3. Woche nach Infarkt ließen sich keine Unterschiede zu den Kontrollen hinsichtlich Körpergewicht, Herzgewicht, Ventrikelgewicht und Hypertrophieindex nachweisen. Ab der 6. postoperativen Woche konnte in der MI-Gruppe eine isoliert linksventrikuläre Hypertrophie nachgewiesen werden, die damit mit dem Ort der Schädigung identisch ist. Im rechten Ventrikel kam es zu keinen signifikanten Unterschieden zwischen Infarkt-Tieren und Kontrollen. Im Vergleich dazu haben Theres et al. [112] und Wagner et al. [41] 6 Wochen nach MI auch eine rechtsventrikuläre Hypertrophie beschrieben. Darüber hinaus war die linksventrikuläre Hypertrophie in diesen Studien erheblich stärker ausgeprägt als in unserer Untersuchung. So war das linksventrikuläre Gewicht im Verhältnis zum Körpergewicht (LVG/KG) 6 Wochen nach MI bei Theres et al. [96] um 21 % gegenüber den Kontrollen gesteigert, während in unserer Studie die Erhöhung mit 9% deutlich geringer ausfiel. Es wird angenommen, dass der Schweregrad der Hypertrophie eine wichtige Determinante ist, die den Übergang von der kompensierten kardialen Funktion zur funktionellen Dekompensation bestimmt [8]. Unsere Ergebnisse weisen auf eine vergleichsweise milde kardiale Hypertrophie 6 Wochen und auch noch 9 Wochen nach MI hin. Demnach kann davon ausgegangen werden, dass sich die in unserer Studie untersuchten Tiere im Gegensatz zu anderen Studien auch 9 Wochen nach MI noch nicht im Zustand der kardialen Dekompensation befanden. Dies lässt sich auch mit dem Lungengewicht/Körpergewicht-Quotienten belegen, der zu keinem Zeitpunkt signifikant verschiedenen zwischen den Gruppen war. Damit bestand auch 9 Wochen nach MI keine Lungenstauung als Zeichen einer schweren myokardialen Insuffizienz.

Die zeitabhängigen Veränderungen der Creatinkinase-Aktivität in der chronischen Phase nach MI betrafen ausschließlich den durch Hypertrophie geprägten linken Ventrikel. Im rechten hypertrophiefreien Ventrikel wurde kein CK-Verlust beobachtet. Bereits in der 3. Postinfarkt-Woche fanden wir im linken Ventrikel der MI-Tiere eine Tendenz zur CK-Abnahme. Diese Abnahme ist aber erst nach neun Wochen signifikant. Damit weist auch diese Studie - wie wir dies schon anhand der TGR-Studie gezeigt haben - auf eine enge Beziehung von Hypertrophie und CK-Verlust hin. Allerdings war der linke Ventrikel bereits 6 Wochen nach MI hypertrophiert, die CK-Erniedrigung wurde jedoch erst nach 9 Wochen signifikant. Dies könnte darauf hinweisen, dass der CK-Verlust der Hypertrophieentwicklung folgt und den Zeitpunkt in der Herzinsuffizienzentwicklung dokumentiert - und möglicherweise auch kausal mitbe[Seite 84↓]stimmt - zu dem das hypertrophierten Myokard in den Zustand der Dekompensation und damit manifesten Herzinsuffizienz übergeht. Dadurch werden auch Ergebnisse einer Untersuchung von Laser et al. [71] plausibel, in der trotz biventrikulärer Herzhypertrophie ein CK-Abfall nur isoliert im linken Ventrikel beobachtet wurde. Auch bei Untersuchung am Myokard von Patienten im Endstadium einer dilatativen Kardiomyopathie konnte für das humane Herz eine Verminderung der CK-Gesamt-Aktivität bei Herzinsuffizienz nachgewiesen werden. Diese Verminderung betraf sowohl den linken als auch rechten Ventrikel [14]. Obwohl in der Publikation nicht extra ausgewiesen, kann davon ausgegangen werden, dass beide Ventrikel hypertrophiert waren. Diese Beobachtungen am Menschen stützen unsere Hypothese, dass eine Gesamt-CK-Erniedrigung im hypertrophierten Myokard den Zeitpunkt markiert, zu dem das hypertrophe Herz in die dekompensierte Herzinsuffizienz übergeht. Häufig ist die CK-Erniedrigung mit einem CK-Mi-Verlust verbunden. Verschiedene Autoren haben über eine Abnahme der myokardialen CK-Mi und der CK-MM in der Postinfarktphase berichtet. Nach Ingwall [74] ist der CK-Mi-Verlust ein Zeichen für den Übergang von der Hypertrophie zur Herzinsuffizienz. Neuere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass es zu keiner absoluten CK-Mi-Erniedrigung kommt, sondern dass diese relativ - als Folge vermehrter Expression von CK-MB und CK-BB - entsteht [113].

Hinsichtlich des CK-Isoenzymmusters kam es in unserem Tiermodell ab der 3. Woche nach MI im linken, nicht aber im rechten Ventrikel zum Anstieg von CK-MB und CK-BB, der auch schon in anderen Studien nachgewiesen wurde [14, 15, 16]. Auch bei Wagner et al. [41] und Neubauer et al. [114] fanden sich 6 bzw. 8 Wochen nach MI im linken Ventrikel, vergleichbar mit unseren Ergebnissen nach 6 und 9 Wochen, ein Isoenzym-Shift zu erhöhter CK-MB und CK-BB. Im nichthypertrophierten rechten Ventrikel konnte in unseren Experimenten zu keinem Zeitpunkt eine signifikante Veränderungen des CK-Isoenzymmusters gefunden werden. Damit scheint eine sehr enge Beziehung zwischen Hypertrophie und CK-Isoenzym-Shift in Richtung auf gesteigerte Expression von CK-MB und CK-BB zu existieren. Unserer Studie nach wird dabei der CK-Isoenzym-Shift bereits zu einem Zeitpunkt (3 Wochen nach MI) sichtbar, zu dem die von uns genutzten relativ groben Parameter zur Hypertrophiecharakterisierung noch negativ waren. Da Laser et al. [71] nach MI eine biventrikuläre Hypertrophie fand, überrascht auch der von ihnen beobachtete CK-Isoenzym-Shift in beiden Ventrikeln nicht. Trotz des signifikanten Anstiegs von CK-MB und CK-BB konnten wir in unserem Infarktmodell die im Mittel niedrigeren CK-Mi-Aktivitäten in der Postinfarktphase nicht als signifikanten CK-Mi-Verlust sichern. Möglicherweise ist die im Vergleich zu anderen Studien [71, 115] geringere Zunahme von CK-MB und CK-BB die Ursache. Auch dies könnte ein [Seite 85↓]weiteres Zeichen für eine relativ milde Hypertrophie in unserem Modell sein.

Mögliche Ursachen für den Isoenzym-Shifts zu fetalen B-Untereinheiten im hypertrophierten Myokard sind bereits im Abschnitt zum CK-Isoenzym-Shift im TGR-Modell diskutiert worden. Aus der Beobachtung, dass die CK-Erniedrigung und der begleitende CK-Isoenzym-Shift durch ß-Blocker-Gabe zu verhindern ist, wurde oft die Schlussfolgerung gezogen, dass ursächlich für diese CK-Veränderungen in erster Linie adrenerge Reize in Frage kommen. Die globale Wirkung adrenerger Reize würden die in unseren Experimenten beobachteten, lokalen CK-Veränderungen (isoliert im linken Ventrikel) allerdings nicht erklären, es sei denn man geht von einer unterschiedlichen Stimulierbarkeit von rechtem und linkem Ventrikel aus. Dergleichen konnte bei der ischämischer dilatativer Kardiomyopathie des Menschen, mit einer Verminderung der ß-adrenergen Stimulationsfähigkeit des rechten Ventrikels, gefunden werden [116]. Die Hypothese der alleinigen adrenergen Initiation der CK-Veränderungen im hypertrophierten Myokard wurde allerdings 1995 durch Ishikawa et al. [117] dadurch entkräftet, dass sich die Veränderungen im CK-Isoenzymmuster auch durch ACE-Hemmer verhindern ließen. Da sich also nachgewiesenermaßen durch ACE-Hemmung, ß-Blockade oder Kombination beider der CK-Isoenzym-Shift verhindern bzw. minimieren lässt [73, 115], sind sowohl direkte Wirkungen des adrenergen als auch des Renin-Angiotensin-Systems denkbar. Basierend auf den vorstehend diskutierten Ergebnisse, gehen wir davon aus, dass das von uns genutzte Tiermodell sich 6 und 9 Wochen nach MI im Zustand der linksventrikulären Hypertrophie ohne Dekompensation befand. Die CK-Erniedrigung 9 Wochen nach MI könnte als ein erstes Zeichen für eine beginnende Dekompensation gewertet werden.

6.2.2.2. Lipidperoxidation und antioxidative Enzyme

Die in der Akutphase beobachtete Steigerung der myokardialen GSH-Px-Aktivität blieb im linken Ventrikel über den gesamten Versuchszeitraum bestehen, so dass 3, 6 und 9 Wochen nach MI im Vergleich zu den Kontrollen signifikant höhere Aktivitäten beobachtet wurden. Für den rechten Ventrikel war dies nicht der Fall. Die im Zeitraum von 3-9 Wochen nach MI gesteigerte GSH-Px gehört damit neben der Hypertrophie und dem CK-Remodeling zu den Kompensationsmechanismen des Myokards in der chronischen Phase nach MI. Die 14-16 h nach MI gesteigerte myokardiale SOD-Aktivität wurde 3 und 6 Wochen nach Infarkt nicht mehr beobachtet. 9 Wochen nach MI stellte sich die Gesamt-SOD isoliert im linken Ventrikel der MI-Tiere als signifikant erniedrigt - verglichen mit den Kontrollen - dar. Ähnliche Ergebnisse konnten auch in einer gleichartige angelegten Studie von Hill und Singal [118] im lin[Seite 86↓]ken Ventrikel nachgewiesen werden. Die erhöhte GSH-Px-Aktivität könnte die Ursache für die Verhinderung von Lipidperoxidation im linken Ventrikel sein.

Die inverse Beziehung zwischen GSH-Px-Aktivität und Lipidperoxidation wird auch durch den Altersgang von GSH-Px und TBARS-Bildung im Myokard der scheinoperierten Tiere dokumentiert. Die Aktivitäten der GSH-Px stiegen in beiden Ventrikeln dieser Gruppe zur 6. Woche hin an und blieben danach in etwa auf diesem Niveau. Zeitgleich nahm die myokardiale Lipidperoxidation bei den scheinoperierten Tieren ebenfalls nur bis zur 6. Woche ab und blieb bis zur 9. Woche auf diesem Level.

Da auch 9 Wochen nach MI der Protektionseffekt gegenüber der Lipidperoxidation trotz der niedrigen SOD-Aktivität erhalten blieb, gehen wir davon aus, dass die GSH-Px-Erhöhung - wie bereits in der Studie mit TGR diskutiert - entscheidend für diese Schutzwirkung ist, die SOD hingegen nur untergeordneten Einfluss hat. Es ist aber darauf hinzuweisen, dass entgegen den Befunden an den scheinoperierten Tieren bei den MI-Tieren kein signifikanter Altersgang mit letztlich abnehmender TBARS-Konzentration nachgewiesen werden konnte. Möglicherweise ist dies ein Anhaltspunkt dafür, dass es in der chronischen Postinfarktphase letztlich doch zu einer, wenn auch sehr moderaten, Steigerung der Lipidperoxidation kommt.

Im Kontrast zu den GSH-Px-Daten unserer Studie stehen Untersuchungen die 8 bzw. 16 Wochen nach MI einen Verlust an GSH-Px beschrieben haben [118]. Allerdings lag in diesen Modellen nachgewiesenermaßen zu den Untersuchungszeitpunkten bereits eine manifeste Herzinsuffizienz vor, die nach Dhalla et al. [76] durch Verlust der antioxidativen Kapazität gekennzeichnet ist. Es überrascht deshalb auch nicht, dass in dieser Studie neben der niedrigen GSH-Px-Aktivität ein Anstieg der Lipidperoxidation beschrieben wurde. Damit wird der zunächst gravierende Ergebnis-Kontrast zu unserem Befund erklärbar, da sich in unseren Experimenten das Herz im Stadium der kompensierten Hypertrophie befand, und kein anerkannter Marker der Insuffizienz - zumindest bis zur 6. Woche nach MI - spezifisch verändert war. Mehrfach ist auch gezeigt worden, dass ein SOD-Verlust eintritt obwohl die GSH-Px noch kompensatorisch gesteigert ist [40, 119]. Dies wird mit einer größeren Empfindlichkeit der SOD gegenüber Inhibition erklärt. Es ist zu vermuten, dass der von uns erstmals in der 9. Woche beobachtete SOD-Abfall eben dieser Dynamik folgt. Möglicherweise ist ein SOD-Verlust ein sehr frühes Zeichen für den beginnenden Übergang der kompensierten in die dekompensierte Phase der Herzinsuffizienz. Neben unserer Untersuchung liefert die Literatur weitere Belege für die Hypothese, dass ein signifikanter Abfall der GSH-Px mit einer Anstieg der Lipidperoxidation einhergeht, wohingegen hohe GSH-Px Aktivitäten - wie auch im vorlie[Seite 87↓]genden Fall - mit niedrigerer Lipidperoxidation und damit auch geringeren Sauerstoffradikal-induzierten Membranschädigungen vergesellschaftet ist [41, 96, 118, 120]. Das unterstreicht die entscheidende Rolle der GSH-Px als ein wichtiger, wenn nicht sogar als wichtigster enzymatischer antioxidativer Faktor zu Verhinderung des Übergangs der Hypertrophie zur dekompensierten Herzinsuffizienz. Zu diesem Schluss, dass die GSH-Px-Zunahme als bedeutender für die Herzprotektion angesehen wird als der Beitrag der SOD kamen auch Gupta und Singal [40] bei ihren Untersuchungen zum Übergang von kardialer Hypertrophie zur dekompensierten Herzinsuffizienz. Wie wir anhand der Hypertonie-induzierten Herzhypertrophie bei TGR zeigten, führen allerdings erhöhte GSH-Px-Level im Myokard nicht automatisch zur vollständigen Inhibition der Lipidperoxidation (dort wurde trotz hoher GSH-Px-Aktivität gesteigerte Lipidperoxidation im Myokard beobachtet).

Die von uns vorgelegte Studie unterstützt die Hypothese von Singal und Kirshenbaum [50], nach der die Herzinsuffizienzentwicklung erstens durch eine biphasische Modulation enzymatischer Antioxidantien gekennzeichnet ist (Aktivitätssteigerung gefolgt von Aktivitätsverlust) und zweitens der Übergang von der Hypertrophie zur Insuffizienz mit dem Zeitpunkt korreliert, zu dem nach Ausschöpfung der antioxidativen Reserve der antioxidative Schutz des Myokards nicht mehr ausreicht Lipidperoxidation zu verhindern und dadurch eine Myokardschädigung durch vermehrte Membranschädigungen möglich wird.

6.2.2.3. Hitzeschockproteine

Wie auch bei den anderen Parameter beschrieben, wurden bei den Hsp72- und Hsp25-Konzentrationen im nichthypertrophierten rechten Ventrikel keine Unterschiede zwischen scheinoperierten Tieren und Tieren mit MI beobachtet. Entsprechend den Untersuchungen von Delcayre et al. [44] wird Hsp72 nur in Phasen der akuten Stressadaptation vermehrt exprimiert und ist bei stabiler kardialer Funktion häufig nicht nachweisbar. In Übereinstimmung damit sank im nichtinfarzierten Anteil des linken Ventrikels die akut gesteigerte Hsp72-Konzentration bis zur 3. Woche auf das Niveau der scheinoperierten Tiere. Für die im Papillarmuskel in der Akutphase erheblich stärker als im linken Ventrikel gesteigerte Hsp72-Konzentration haben wir ebenfalls im Anschluss an die Akutphase einen Abfall beobachtet. Allerdings lag der Hsp72-Gehalt bei den MI-Tieren auch 3 Wochen und 6 Wochen nach MI noch signifikant über dem der Kontrollen. Erst nach 9 Wochen unterschieden sich MI-Tiere und Kontrollen nicht mehr. Diese im Papillarmuskel auch nach 3 und 6 Wochen noch signifikant erhöhten Werte würden demnach auf das Fortbestehen der Stresssituation im Papillar[Seite 88↓]muskel jenseits der akuten MI-Phase hinweisen. Entsprechend der wahrscheinlich ischämischen Ursprungsregion der Papillarmuskeln im linken Ventrikel [104] könnte- wie bereits in der Diskussion der Veränderungen in der Akutphase angeführt - eine Minderperfusion des Papillarmuskels auch nach der Akutphase die Ursache für das Fortbestehen der Stresssituation sein und damit die erhöhten Hsp72-Konzentrationen erklären.

Eine Verminderung der Hsp72-Konzentration nach einer MI-induzierten Expressionssteigerung mit dem Erreichen des Bereiches der Kontrollwerte etwa 2 bis 3 Wochen nach MI wurde auch von Kilgore et al. [105] beschrieben. Allerdings erfolgte in dieser Untersuchung die MI-induzierte Hsp72-Erhöhung erst nach 5-7 Tagen im nichtinfarzierten septalen Myokard. Tanonaka et al. [121] fand ebenfalls gesteigerte Hsp72-Konzentration 1 Woche nach MI mit nachfolgendem Abfall bis zur 2. Woche. In dieser Studie ist allerdings die akute Phase nach MI (1. Tag) nicht untersucht worden. In unseren Untersuchungen beobachteten wir im linken Ventrikel 3 Wochen nach MI einen erneuten Anstieg der Hsp72-Konzentration, so dass sie 6 Wochen nach MI wieder signifikant gegenüber den Kontrollen gesteigert war. Bis zur 9. Woche blieb der Mittelwert der Hsp72-Konzentration im linken Ventrikel der MI-Tiere weiterhin über dem der scheinoperierten Kontrollen. Es ist wahrscheinlich, dass hinsichtlich des Hsp72 zwischen akut und chronisch gesteigerter Expression unterschieden werden muß. Während in einer akuten Stresssituation Hsp72 zur Selbstprotektion des Myokard beiträgt, sollte dagegen bei einer Hsp72-Zunahme in der chronischen Phase nach MI - wie in unserem Modell beobachtet - in Betracht gezogen werden, dass langanhaltend gesteigerte Hsp72-Expression, abgeleitet aus der Funktion als Target im Rahmen autoimmunologischer Reaktionen [122], möglicherweise als Promotor in der Herzinsuffizienzgenese fungieren könnte. Die Basis für den erneuten Anstieg von Hsp72 im linken Ventrikel der MI-Tiere könnte der ab der 3. Woche zunehmende CK-Isoenzym-Shift zu den fetalen B-Isoenzymen (CK-MB, -BB) als Zeichen chronisch-ischämischen Stoffwechselbedingungen im Myokard zusammen mit der wachsenden Hypertrophie darstellen.

Das Hsp25 zeigte verglichen mit dem Hsp72 ein nahezu identisches Verhalten. Auch dessen Konzentration vermindert sich von der akuten MI-Phase (14-16 h) zum Zeitpunkt 3 Wochen nach MI sowohl im linken Ventrikel als auch im rechten Ventrikel. Im Gegensatz zum Hsp72 sinkt der Hsp25-Gehalt 3 Wochen nach MI sowohl im linken Ventrikel als auch im Papillarmuskel auf das Niveau der Kontrollen. Auch für das Hsp25 beobachtete wir von der 3. zur 6. Woche einen erneuten Anstieg. Im Gegensatz zum Hsp72 betraf dieser jedoch ausschließlich den Papillarmuskel. Möglicherweise ist zur Hsp25-Expression verglichen mit Hsp72 ein stärkerer Stimulus notwendig, der unter den gegebenen Versuchsbedingungen nur im Papillar[Seite 89↓]muskel erreicht wird. Dies würde dann erklären, warum Hsp25 bis zur 3. Woche auf das Niveau der Kontrollen sinkt, Hsp72 sich ebenfalls vermindert, jedoch zum gleichen Zeitpunkt immer noch über dem Niveau der Kontrollen liegt. 9 Wochen nach MI waren MI-Tiere und Kontrollen hinsichtlich der Hsp25-Konzentration angeglichen. Diese nach 9 Wochen den Kontrollen angeglichene Hsp25-Konzentration in unserer Studie, haben Tanonaka et al. [121] in ihrem MI-Modell nicht beobachtet. Hier war die myokardiale Hsp25-Konzentration 8 Wochen nach MI noch signifikant erhöht.

6.2.2.4. Kontraktile Funktion

Auch in diesem Tiermodell wurden Untersuchungen zur kontraktilen Funktion der Papillarmuskeln unter Hypoxie/Reoxygenierung durchgeführt, um den Einfluss der beobachteten biochemischen Veränderungen auf die funktionelle Herzleistung zu überprüfen. Insgesamt wirken sich die beschriebenen Veränderungen im hypertrophen Myokard protektiv auf die kontraktile Funktion nach MI aus. Dabei profitieren die Papillarmuskeln hauptsächlich in der Reoxygenierungsphase und dabei insbesondere hinsichtlich ihrer Relaxationsgeschwindigkeit.

Unter Hypoxie kam es in der chronischen Phase nach MI zu allen Untersuchungszeitpunkten (3, 6, 9 Wochen) zu einem vergleichbaren Abfall der PF bei MI-Tieren und Kontrollen. Der Grund dafür ist der schon oben erläuterte Abfall der Ca2+-Sensibilität der Myofilamente aufgrund des raschen Abbaus energiereicher Phosphate zu anorganischem Phosphat [93]. 3 Wochen nach MI unterschieden sich MI-Tiere und Kontrolle auch in der Reoxygenierungsphase hinsichtlich der Kontraktilität nicht. Im Zeitfenster 3. bis 9. Woche beobachteten wir jedoch in den MI-Tiere eine zunehmende Verbesserung der Relaxationsgeschwindigkeit verglichen mit den Kontrollen. Dies wurde am Parameter (dF/dtmin)/PF sichtbar.

Daraus lässt sich ableiten, dass die kontraktile Funktion des Myokards 6 und 9 Wochen nach MI weniger empfindlich ist gegenüber Hypoxie/Reoxygenierung als die der scheinoperierten Kontrollen und auch als die der Tiere 3 Wochen nach MI. Dieser protektive Effekt zeigte sich 9 Wochen nach MI ausgeprägter als 6 Wochen nach MI und war zu diesem Zeitpunkt mit der höchsten GSH-Px-Aktivität vergesellschaftet, während die Hsp-Konzentrationen nicht gesteigert waren. Daher kann als Hauptprotektionsfaktor der kontraktilen Funktion des Myokards in der chronischen Phase nach MI die GSH-Px verantwortlich gemacht werden. Da der protektive Effekt 9 Wochen nach MI trotz der verminderten SOD-Aktivität am stärksten war, ist dies ein erneuter Hinweis auf die bereits mehrfach betonte untergeordnete Bedeutung der SOD für die Myokardprotektion nach MI.


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6.3.  Schlussfolgerungen

Unsere Untersuchungen zeigen, dass es in der akuten Phase nach MI zu einer parallelen Aktivierung des enzymatischen antioxidativen Systems und des Hsp-Systems im Myokard kommt. Damit können, wie in Kapitel 3 Problemstellung in Hypothese 1 formuliert, beide Systeme bei einer akuten Steigerung von oxidativem Stress im Herz zur Selbstprotektion des Myokards beitragen. Ob auch in der Akutphase, wie nachfolgend für die chronische Phase nach MI ausgewiesen, die GSH-Px das entscheidende myokardiale Protektionssystem ist, können wir gegenwärtig nicht entscheiden.

Dagegen scheint bei chronisch gesteigertem oxidativen Stress (chronische Phase nach MI, chronische Hypertonie) die Myokardprotektion hinsichtlich Hypoxie/Reoxygenierungsstress hauptsächliche Folge der kompensatorischen Steigerung der GSH-Px-Aktivität zu sein. Chronisch gesteigerte Expression von Stressproteinen sollte eher auf der Basis autoimmunologischer Reaktionen im Herz betrachtet werden. Während damit das enzymatische antioxidative System sowohl bei akut als auch bei chronisch gesteigertem oxidativen Stress als Protektionssystem wirksam wird, scheint die Schutzfunktion der Hitzeschockproteine auf Stoffwechselsituationen die durch akut gesteigerten oxidativen Stress gekennzeichnet sind, begrenzt zu sein (Hypothese 2). Unsere Untersuchungen zeigen darüber hinaus im Vergleich zur SOD die herausgehobene Bedeutung der GSH-Px in der Myokardprotektion sowohl bei akut als auch chronisch gesteigertem oxidativen Stress im Herz.

6.4. Therapeutische Konsequenzen

Remodeling stellt einen Umbauprozess des Myokards als Reaktion auf verschiedene Reize dar. Das Remodeling im Verlauf der Herzinsuffizienzgenese ist ein von den auslösenden Faktoren relativ unabhängiger, uniformer Prozess, dessen hervorstechendstes, makroskopisches Zeichen die Hypertrophie ist. Zum Remodeling gehören neben der Modulation des CK-Isoenzymmusters unserer Ansicht nach auch Aktivitätsänderungen bzw. Konzentrationsänderungen von myokardialen Schutzsystemen gegen Schädigungsreaktionen die durch oxidativen Stress ausgelöst werden. Myokardiales Remodeling stellt einen zeitlich begrenzten Kompensationsmechanismus im Verlauf der Herzinsuffizienzgenese dar. Eine Schlüsselrolle bei der Induktion des Remodelings könnten Sauerstoffradikale haben. Die im Verlauf des Remodelings auftretenden biochemischen Veränderungen im CK-, Hsp- und Antioxidatiensystem führen dabei in unterschiedlicher Ausprägung und zeitlicher Abfolge zu einer Protektion des [Seite 91↓]Myokards gegenüber hypoxisch/ischämischen Ereignissen. Die zielgerichtete Modulation dieser Systeme - mit dem Ziel einer therapeutischen Nutzung bei Herzerkrankungen - wäre wünschenswert, stellt aber in der Praxis ein bisher ungelöstes Problem dar.

Ob erste Untersuchungen, in denen gezeigt wurde, dass ACE-Hemmung und ß-Blockade ihre protektiven Effekte nach MI möglicherweise auch über eine die Steigerung der myokardialen GSH-Px und SOD-Aktivität realisieren [96], einen entsprechenden Weg weisen, muß abgewartet werden. Für die Möglichkeit einer pharmakologische Induktion enzymatischer Antioxidantien sprechen auch Versuche, in denen es gelang mit Probucol, einem Lipidsenker, GSH-Px und SOD im Myokard zu induzieren, was einen vorteilhaften Einfluss auf die Adriamycin-induzierte Kardiomyopathie hatte [123]. Auch Quercetin, ein Bioflavonoid, ist in der Lage die Katalase- und GSH-Px-Aktivitäten im Ratten-Myokard bei Streptozotocin-induzierter, diabetischer Kardiomyopathie zu erhöhen [124]. Eine andere Möglichkeit der therapeutischen Beeinflussung des myokardialen antioxidativen Systems sollte sich durch die Supplementation mit nichtenzymatischen Antioxidantien und Spurenelementen ergeben. So ist die verstärkte Expression von GSH-Px immer an die ausreichende Verfügbarkeit von Selen gebunden. Bekannt sind auch die enge Wechselwirkungen von GSH-Px, Vitamin E und Vitamin C bei der Metabolisierung von Lipidperoxiden (Kapitel 2.2.2.2). Im Tierversuch konnte durch Zugabe von Antioxidantien in den kardiopulmonalen Bypass bei herzchirurgischen Eingriffen eine bessere postoperative, funktionelle Erholung mit verminderte Lipidperoxidation erreicht werden [125].

Trotz zahlreicher Studien, die den präventiven und therapeutischen Effekt von Vitamin E belegen, hält sich der klinische Einsatz in Grenzen. Der positive Einfluss von Vitamin E auf die Entstehung und Folgen der Koronaren Herzkrankheit kann als am besten gesichert gelten. Die umfassendsten Ergebnisse zum protektiven Effekt der pharmakologischen Vitamin E-Therapie beim Menschen wurden 1996 im Rahmen der CHAOS-Studie (Cambridge Heart Antioxidant Study) gesammelt. Dabei konnte die täglich Gabe von Vitamin E bei Patienten mit angiographisch nachgewiesener Koronarsklerose die Rate der nicht-tödlichen Myokardinfarkte signifikant reduzieren [126]. Tierexperimentell ließ sich sogar die Entstehung von arteriosklerotischen Plaques gänzlich verhindern [127]. Dies impliziert so auch einen präventiven Effekt. Deshalb ist auch bei Hypertonie, die als Risikofaktor bei der KHK-Entstehung eine wichtige Rolle spielt, durch therapeutische α-Tocopherol-Substitution ein präventiver Effekt zu erwarten, zumal, wie in dieser Arbeit zum Myokardremodeling bei chronischer Hypertonie im Rattenmodell, auch bei der essentiellen Hypertonie des Menschen reduzierte Serum-[Seite 92↓]Vitamin E-Level gemessen wurden [80]. Selbst nach bereits eingetretenem Myokardinfarkt konnte die Mortalität und die Infarktgröße durch frühzeitige Vitamin E-Supplementation im Tierexperiment gemindert werden [128]. Es bleibt zu hoffen, dass der pharmakologische Einsatz von α-Tocopherol in Zukunft eine größere klinische Akzeptanz findet. Möglicherweise kann Selbstprotektion des Myokards durch Expression von antioxidativen Enzymen und Hsp durch zusätzliche Gabe nichtenzymatischer Antioxidantien zeitlich ausgeweitet und so der Übergang zur dekompensierten Herzinsuffizienz verzögert werden

Wie in dieser Arbeit gezeigt, spielen auch die Hitzeschockproteine eine wesentliche Rolle bei der Myokardprotektion. Seit diese Erkenntnisse vorliegen, wurde versucht präventive und therapeutische Einsatzmöglichkeiten am Menschen zu finden. So kann beispielsweise der prä- und postoperative Hsp-Gehalt prognostische Bedeutung für die Wiederherstellung der Funktion, das Langzeitüberleben bzw. die Transplantatabstoßung in der Herzchirurgie erlangen [129]. Da eine in-vivo Hitzestress-Exposition des Menschen zur myokardialen Präkonditionierung gegenüber ischämischen Ereignissen nicht durchführbar ist, müssen andere Wege zur Hsp-Induktion gefunden werden. So könnte beispielsweise in der Transplantationsmedizin eine kurzfristige präoperative Temperaturerhöhung des Transplantats zur besseren Hsp-vermittelten, postoperativen, funktionellen Leistung bei verminderten Nekrosen führen. Dies wurde bereits erfolgreich an Ratten demonstriert [130]. Andere Möglichkeiten könnten sich zukünftig durch die pharmakologische Induktion von Hitzeschockproteinen eröffnen. Hier sind jedoch bisher kaum Ansätze zu sehen.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass das geschädigte Myokard nach MI sowohl in der akuten Phase als auch im Rahmen der chronischen Schädigung Mechanismen zur Selbstprotektion gegenüber Sauerstoffradikal-induzierter Schädigung aktivieren kann. Durch therapeutische Einflussnahme kann, wie für die chronische Phase nach MI gezeigt [96], die Selbstprotektion des Myokards zeitlich ausgeweitet werden und so der Übergang zur dekompensierten Herzinsuffizienz verzögert werden.


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Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit lassen sich unter anderem auf folgende Bereiche der ischämischen Herzerkrankung und des Myokardinfarkts anwenden:


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21.01.2005